Cơ Chế Oxi Hoá Các Chất Của Ozon Trong Nước Thải - Tài Liệu Text

1. Trang chủ >
2. Luận Văn - Báo Cáo >
3. Khoa học tự nhiên >

Cơ chế oxi hoá các chất của ozon trong nước thải

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.75 MB, 87 trang )

Viện khoa học và Công nghệ Môi trườngTrường Đại học Bách khoa Hà NộiSự phân huỷ này của ozon xảy ra tức thời khi sục ozon vào nước, kết quả tạothành chất oxi hoá thứ hai mạnh hơn, tức là gốc hydroxyl *OH theo cơ chế qua cácchất trung gian là gốc ozonit *O3, gốc *HO3.Hai con đường oxi hoá nói trên của ozon xảy ra cạnh nhau. Quá trình oxi hoátrực tiếp bằng phân tử ozon xảy ra tương đối chậm (10 -5 – 107 M-1sec-1) so với oxi hoágián tiếp thông qua gốc hydroxyl do sự phân huỷ ozon tạo ra (10 12 – 1014 M-1sec-1).Tuy vậy, nồng độ ozon trong nước khi ozon hoá tương đối cao, trong khi đó, nồng độgốc hydroxyl trong điều kiện ozon hoá thông thường lại tương đối nhỏ, vì thời giansống của gốc hydroxyl ngắn (thời gian bán huỷ tính bằng phần nghìn giây –microsecond), nên nồng độ gốc hydroxyl *OH khi oxi hoá bằng ozon không bao giờvượt quá 10-12M [3].Hoigné et al (1977)[3] nhận thấy, trong điều kiện axit, con đường oxi hoá trựctiếp chủ yếu là bằng phân tử ozon, trong điều kiện pH cao, hoặc trong những điều kiệncó các tác nhân khác như H2O2, UV, chất xúc tác,… tạo thuận lợi cho quá trình tạogốc *OH, con đường oxi hoá gián tiếp thông qua gốc hydroxyl sẽ là chủ yếu và chohiệu quả oxi hoá cao. Do đó, thay vì sử dụng ozon một mình, nhiều công trình nghiêncứu đã theo hướng tìm kiếm các tác nhân phối hợp với ozon hoặc chất xúc tác nhằmtạo ra gốc *OH để nâng cao hiệu quả oxi hoá của ozon khi cần xử lí những hợp chấtbền vững, khó phân huỷ trong nước và nước thải.Oxi hoá trực tiếp chất ônhiễm bằng phân tử O3Oxi hoá chất ô nhiễmgián tiếp qua gốc *OHO3Phân huỷ ozon tạo gốc*OHLuận văn thạc sĩ22Phản ứng với các anion trườngNgành Công nghệ MôiHCO3-, CO32- làm tiêu haogốc *OHViện khoa học và Công nghệ Môi trườngTrường Đại học Bách khoa Hà NộiHình 1.3. Hai đường đi phản ứng oxi hoá của ozon trong dung dịch nước [3]a. Phản ứng oxy hóa trực tiếp bằng ozon phân tửKhả năng oxy hóa trực tiếp bằng phân tử ozon được quyết định bởi cấu trúchóa học của nó, ozon là một phân tử lưỡng cực hoạt động như một ái nhân hóa học.Nhờ cấu trúc này mà mỗi phân tử ozon có thể tạo ra 3 liên kết không bão hòa bênngoài để hình thành các gốc ozonide (I) như trong phản ứng sau như sơ đồ 1.4 dướiđây:Hình 1.4. Phản ứng của ozon với các liên kết không noTrong các dung môi như nước, các gốc ozonide này phân hủy thành các hợpchất carbonyl (như andehit hoặc xeton) và các gốc zwitterions (II), các gốc này cũngnhanh chóng chuyển hóa thành các hydroxyl – hydroperoxide (III) và cuối cùng phânhủy thành hợp chất carbony và hydrogen peroxide theo cơ chế Criegree như tronghình 1.5 dưới đây[1].Luận văn thạc sĩ23Ngành Công nghệ Môi trườngViện khoa học và Công nghệ Môi trườngTrường Đại học Bách khoa Hà NộiHình 1.5. Cơ chế CriegreeOzon cũng là một tác nhân ái điện tử (electrophile) mạnh, nó dễ dàng tươngtác với nhiều các chất bị phân cực mạnh. Trong số đó có thể dễ dàng kể đến các vòngthơm hoạt hóa bởi một tác nhân cho electron ở vị trí octo (ortho) và vị trí para, cácnguyên tử nitơ và lưu huỳnh không bị proton hóa. Sự tấn công electrophile vào vòngthơm được mô tả như trong sơ đồ 1.6 sau[1]:Hình 1.6. Phản ứng Electrophilic của ozon với các chất hữu cơ thơmKhi ozon tấn công vào các nhân thơm, trước hết sẽ hình thành các sản phẩmphụ dydroxylate tại các vị trí ortho và para. Các hợp chất bị dydroxylate này dễ bịLuận văn thạc sĩ24Ngành Công nghệ Môi trườngViện khoa học và Công nghệ Môi trườngTrường Đại học Bách khoa Hà Nộiozon hóa hơn, dẫn đến hình thành các hợp chất quinoid và mở vòng của các vòngthơm để hình thành các sản phẩm béo với các nhóm chức carbonyl và carboxyl.Phản ứng ái nhân (Nucleophilic reaction): Các phản ứng này xảy ra ở cácphân tử bị mất điện tử, và chủ yếu là ở trên các nguyên tử carbon có nhóm hút điện tửTóm lại, các phản ứng ozon hóa bằng phân tử ozon là phản ứng chọn lọc giớihạn với các chất hữu cơ béo và thơm chưa bão hòa. Trong hình 1.7 là một số nhómchức có thể bị phản ứng với ozon.Hình 1.7. Các nhóm chức hữu cơ có thể bị phản ứng bởi ozonSơ đồ các phản ứng của ozon với các chất hữu cơ thơm được mô tả trong hình1.8 dưới đây:Luận văn thạc sĩ25Ngành Công nghệ Môi trườngViện khoa học và Công nghệ Môi trườngTrường Đại học Bách khoa Hà NộiHình 1.8. Sơ đồ phản ứng ozon hóa các chất hữu cơ thơmb. Phân hủy ozon tạo gốc *OHĐộ hòa tan và tính ổn định của ozon trong nước bị ảnh hưởng bởi các yếu tốnhư pH, UV, nồng độ ozon và nồng độ các chất gây nhiễu. Tỷ lệ phân hủy của ozonđược xác định trong trường hợp tồn tại các yếu tố gây nhiễu. được mô tả bằng phươngtrình động học sau đây:(2.2)Trong đó: K hằng số tốc độ tùy theo các giá trị pH, nó tuyến tính với pH(Staehelin và Hoigné, 1982)[11]. Điều này phản ánh thực tế về tốc độ phân hủy ozonvà được khái quát trong phương trình dưới đây:(2.3)Trong đó: K = k’/[OH]Quá trình phân hủy ozon xảy ra như một quá trình dây chuyền và được thểhiện bằng một loạt các phản ứng cơ bản sau đây (Staehelin etal., 1984; Tomiyasu etLuận văn thạc sĩ26Ngành Công nghệ Môi trườngViện khoa học và Công nghệ Môi trườngTrường Đại học Bách khoa Hà Nộial., 1985) [11], bao gồm các phản ứng khởi đầu (2,4-2,5) , các bước chuyển tiếp (2,62,10), và phá vỡ trong các bước phản ứng dây chuyền (2,11-2,15).Trong nước ozon thường không bền, tác nhân đầu tiên gây ra sự phân hủy củaozon là các ion hydroxyl (OH-). Cơ chế phân hủy ozon bởi OH- được xây dựng bởi 2nhà nghiên cứu là Stanhelin và Hoigne [11] năm 1984, cơ chế này được mô tả tronghình 2.13Hình 1.9: Cơ chế khơi mào phản ứng bởi gốc OH-Luận văn thạc sĩ27Ngành Công nghệ Môi trườngViện khoa học và Công nghệ Môi trườngTrường Đại học Bách khoa Hà NộiCác ion OH- đóng vai trò là chất cảm ứng phản ứng gốc, nghĩa là một tác nhânhóa học tác dụng với ozon để dẫn tới hình thành một gốc *OH, ngoài ra còn hình thànhmột số gốc kém hoạt động hơn như gốc supeoxyde (O2-) và hydroperodyle (*HO2).Sau đó ozon tác dụng với gốc *OH tiếp tục tạo ra gốc *OH, ozon hoạt động giống nhưmột chất hỗ trợ phản ứng gốc, nghĩa là một tác nhân hóa học khi phản ứng với mộtgốc *OH lại tạo ra một gốc mới và duy trì một chu kỳ gốc.Một số dạng tác nhân hóa học khác như cacbonat hoặc bicacbonat cũng tácdụng với *OH để tạo ra một *HCO3- và *CO3 mà không tạo ra gốc *OH mới, người tagọi những tác nhân này là chất kìm hãm phản ứng gốc, đó là những chất phản ứng vớigốc *OH mà không tạo ra môt gốc *OH mới [1].c. Phản ứng của ozon với một số chất ô nhiễmĐối với ozon phân tử, khả năng phản ứng với các chất ô nhiễm trong nước thìcả cơ chế phân tử hay cơ chế gốc đều dẫn đến các kết quả chung là chất ô nhiễm sẽ bịphân hủy hoặc tạo thành các hợp chất có phân tử lượng nhỏ hơn và ít ô nhiễm hơn. Phản ứng của ozon với các hydrocarbon thơm:Đối với ozon phân tử, khả năng phản ứng của nó phụ thuộc vào đặc điểm áinhân của cacbon vòng thơm và các nhóm thế đóng vai trò rất quan trọng.- Các tác nhân thế cho electron thuận lợi cho sự tấn công của chất oxy hóa:CH3, NH2, OCH3…- Các tác nhân thế nhận electron sẽ làm mất hoạt tính của vòng thơm: X,NO2…-Sơ đồ tổng quát về quá trình oxy hóa như sau:oHydroxyl hóa các vòng thơm (hình thành các phenol hoặc diphenol)oCắt vòng và hình thành các hợp chất chưa bão hòa dạng C4 và C2o Hình thành các phân tử nhỏ và rất bền như: axít axalic và fomic, axítglyoxylic và glyoxal…Luận văn thạc sĩ28Ngành Công nghệ Môi trườngViện khoa học và Công nghệ Môi trườngTrường Đại học Bách khoa Hà NộiVí dụ: Phản ứng ozon hóa naptalen theo các phản ứng sau:Hình 1.10. Sơ đồ phản ứng ozon hóa naptalen [1] Phản ứng của ozon với phenolDo sự có mặt của gốc OH nên phenol rất hoạt động với ozon. Động học củaphản ứng là bậc một với từng tác nhân phản ứng:r = k.[O3].[phenol]Trong đó:r : Tốc độ phản ứng oxy hóak: Hằng số tốc độ của phản ứng oxy hóaLuận văn thạc sĩ29Ngành Công nghệ Môi trườngViện khoa học và Công nghệ Môi trường[O3]: Nồng độ tham gia phản ứngTrường Đại học Bách khoa Hà Nội[phenol]: Nồng độ phenol bị oxy hóaNhững dạng phân ly (phenolat trong môi trường kiềm) là hoạt tính nhất. Hằngsố tốc độ phản ứng k thay đổi từ 103 – 104 đến 109 M-1S-1.Các giai đoạn của quá trình ozon hóa phenol:-Hình thành hydroquinone và pyrocathecol.-Hình thành các axít và aldehyt muconic, maleic và fumaric-Hình thành các axít và aldehyt có 1 cacbon (C1), và 2 cacbon (C2)Theo sơ đồ:Hình 2.11. Sơ đồ phản ứng ozon với phenol [1]I.3.3.2. Quá trình peroxytLuận văn thạc sĩ30Ngành Công nghệ Môi trườngViện khoa học và Công nghệ Môi trườngTrường Đại học Bách khoa Hà Nội1. Cấu tạo và tính chất của hydroen peroxyt (H2O2)H2O2 là một chất oxi hóa mạnh, nó còn mạnh hơn cả Cl2, ClO2, KMnO4. Cấu tạocủa H2O2 được mô tả như trong hình dưới đây:Hình 1.12. Cấu trúc hóa học của hydro peroxytMặc dù là chất oxi hóa mạnh nhưng H 2O2 có thể bị chuyển hóa bởi nhiều loạisinh vật. Chúng phân hủy H2O2 thành O2 và H2O. H2O2 có thể hạn chế sự sinh trưởngcủa vi sinh vật, hoặc thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật trong xử lý sinh học nướcngầm. Ngoài ra, H2O2 có thể được sử dụng để xử lý những chất dễ bị oxi hóa (như sắt,sunfua) và các chất hữu cơ khó oxi hóa (như dung môi, xăng và các loại thuốc trừsâu).H2O2 lần đầu tiên được thương mại hóa vào năm 1980. Sản lượng H2O2 thànhphẩm tăng hơn tỉ tấn mỗi năm trên toàn thế giới. Chúng thường được sử dụng để xử lýnước thải nhà máy giấy, dệt nhuộm, thực phẩm, hóa dầu, khoáng chất và các mặt hàngtiêu dùng (như chất tẩy vết bẩn trên quần áo)2. Những ứng dụng trong xử lý môi trường của H2O2H2O2 có thể được ứng dụng để xử lý trong các điều kiện môi trường khác nhaunhư: Không khí, nước, nước thải, đất và bùn cặn. Tùy thuộc vào đối tượng xử lý màH2O2 có thể được sử dụng một mình hoặc dùng kết hợp với chất khác để thực hiện quátrình xử lý. Một số ứng dụng phổ biến của H2O2 trong xử lý nước thảiLuận văn thạc sĩ31Ngành Công nghệ Môi trườngViện khoa học và Công nghệ Môi trườngTrường Đại học Bách khoa Hà Nội- Kiểm soát mùi: H2O2 được dùng để oxi hóa H2S, mercaptan, amin và andehyt.H2O2 thường được sử dụng trực tiếp để xử lý nước thải có mùi, hoặc hấp thụ mùi từdòng không khí. Nếu mùi là sản phẩm của quá trình sinh học, H2O2 có thể được thêmvào để loại bỏ điều kiện thiếu khí có thể tạo ra mùi.- Kiểm soát sự ăn mòn: H2O2 có thể phân hủy clo và các hợp chất sunfua(thiosulfate, sulfite, sulfide) vốn là các dạng axit có thể ăn mòn thiết bị khi ngưng tụhoặc ôxi hóa bởi dòng khí.- Loại bỏ BOD và COD: H2O2 có thể ôxi hóa các chất ô nhiễm vô cơ và hữu cơ.H2O2 thường được thêm vào để oxi hóa các chất khó phân hủy. H2O2 cũng có thể ảnhhưởng tỉ lệ loại bỏ BOD/COD bằng cách thúc đẩy các quá trình xử lý khác. H2O2 thủyphân fomandehyt, cacbondisunfit, cacbonhydrat, các hợp chất nitơ, phốt pho hữu cơ,các hợp chất cao phân tử hòa tan. Cùng với xúc tác thích hợp, H2O2 có thể phân hủyphenol, thuốc trừ sâu BTEX, dung môi hòa tan, chất hóa dẻo, chelat và hầu như tất cảcác hợp chất hữu cơ.- Ôxi hóa chất vô cơ: H2O2 có thể ôxi hóa xianua, NOx/SOx, nitrit, hydrazine,carbonyl sulfide, và các hợp chất chứa lưu huỳnh khác- Ôxi hóa kim loại: H2O2 ôxi hóa sắt, mangan, asen, selen, làm tăng khả nănghấp phụ, lọc, lắng đọng của các kim loại này từ nước và nước thải.- Nâng cao khả năng cho khâu xử lý bằng ôxi hóa sinh học: H2O2 cùng với chấtxúc tác phân hủy các hợp chất phức tạp thành các dạng đơn giản hơn, ít độc hơn, dễ ôxi hóa sinh học hơn.- Khử trùng - kiểm soát sinh học: Nó kiểm soát sự sinh trưởng sinh học quámức trong và được dùng để khử trùng nguồn nước.3. Một số tác dụng của H2O2 đối với các quá trình xử lý khác[8]:- Keo tụ - kết tủa: H2O2 ôxi hóa các hợp chất kim loại, tăng hiệu quả của quátrình keo tụ vô cơ.- Tuyển nổi (Floatation): H2O2 tạo ra các bóng khí nhỏ có thể loại bỏ các chấtbéo, dầu mỡ…trong bể tuyển nổi.3. Các quá trình peroxyt:Luận văn thạc sĩ32Ngành Công nghệ Môi trường

Xem Thêm

Tài liệu liên quan

• “Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp o xy hóa tiên tiến (AOP) trong xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học
  • 87
  • 2,084
  • 13
• TD6 Tiet 25-26
  • 3
  • 414
  • 0
• Con vịt xấu xí(4)
  • 0
  • 5
  • 0
• De_thi_va_dap_an_thi_HSg_Tv_5_de_2
  • 1
  • 121
  • 0
• De_thi_va_dap_an_thi_HSg_Tv_5_de_1
  • 3
  • 110
  • 0
• Đề KT 45'''' HK2 K12 + Đáp án 08-09
  • 0
  • 5
  • 0
• toán 8
  • 2
  • 90
  • 0
• QUAN HỆ HỢP TÁC UNESCO và VIỆT NAM
  • 14
  • 547
  • 1

Tải bản đầy đủ (.pdf) (87 trang)

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(1.75 MB) - “Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp o xy hóa tiên tiến (AOP) trong xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học-87 (trang) Tải bản đầy đủ ngay ×