NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SIÊU OXY HÓA VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI BỆNH VIỆN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-------------------------------

NGUYỄN THỊ THANH HẢI

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH
SIÊU OXY HÓA VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHỬ TRÙNG NƢỚC
THẢI BỆNH VIỆN

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG

HÀ NỘI - 2018


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-------------------------------

NGUYỄN THỊ THANH HẢI

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH
SIÊU OXY HÓA VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHỬ TRÙNG NƢỚC

THẢI BỆNH VIỆN

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng
Mã số: 62 52 03 20

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1.

PGS.TS. Nguyễn Hồi Châu

2.

PGS.TSKH. Ngơ Quốc Bƣu

Hà Nội 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án “ Nghiên cứu cải tiến quy trình điều chế dung
dịch siêu oxy hóa và ứng dụng trong khử trùng nước thải bệnh viện” là do tôi
thực hiện với sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Hồi Châu và PGS.TSKH. Ngơ
Quốc Bƣu.
Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chính xác và chƣa đƣợc
tác giả khác cơng bố.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày
trong Luận án này.
Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thanh Hải


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo và bộ phận Đào tạo,
các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Công nghệ Môi trƣờng, Học Viện Khoa
học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập cũng nhƣ thực
hiện cơng trình này.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Hồi Châu,
PGS.TSKH Ngơ Quốc Bƣu - Viện Công nghệ môi trƣờng đã tận tình hƣớng
dẫn, định hƣớng và tạo điều kiện tốt cho tơi trong suốt q trình nghiên cứu
và học tập.
Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Công nghệ môi trƣờng, phịng
Cơng nghệ Hóa lý mơi trƣờng (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam) đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình nghiên cứu.
Trong thời gian qua, tôi cũng đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ, tạo
điều kiện của đồng nghiệp, sự giúp đỡ về tinh thần, vật chất của gia đình và
ngƣời thân. Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó.
Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thanh Hải


DANH MỤC СÁС TỪ VIẾT TẮT
ANK (Activated Neutral Anolyte): Dung dịch anolit trung tính
BCC: buồng chia catolit
BOD (Biochemical oxygen Demand): Nhu cầu oxy sinh hoá
COD (chemical oxygen demand): Nhu cầu oxy hóa học
Cs: cộng sự

Dd: dung dịch
DNA (deoxyribonucleic acid): axit nucleic
EPA (Environmental Protection Agency): Cơ quan Bảo vệ Môi trƣờng
FDA (Food and Drug Administration): Cục quản lý Thực phẩm và Dƣợc
phẩm
FEM (flow-through electrolytic module): Buồng điện hóa dịng chảy
HAAs (Haloacetic acids): Axit Haloacetic
HHĐH: hoạt hóa điện hóa
KPH: khơng phát hiện
MB-11: Buồng điện hóa kiểu MB-11
MDL (method detection limit): Giới hạn phát hiện của phƣơng pháp
MQL: Giới hạn định lƣợng của phƣơng pháp
Nguồn DC (Direct Current): Nguồn một chiều
ORP (Oxidation reduction potential): Thế oxy hóa khử
OSHA (the Occupational Safety and Health Administration): Cơ quan quản lý
an toàn và sức khỏe nghề nghiệp (Hoa Kỳ)
PAC (Poly Aluminum Chloride): phèn nhôm cao phân tử
QCVN: Quy chuẩn Việt Nam
SMEWW (Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water):
Các phƣơng pháp chuẩn xét nghiệm nƣớc và nƣớc thải.


STEL: Các thiết bị hoạt hóa điện hóa chuyên sản xuất các dung dịch khử
trùng, sát trùng và tẩy rửa (đƣợc ghép bằng hai từ sterility và
electrochemistry)
Supowa (Super-Oxidized Water): Dung dịch siêu oxy hóa
TDS (Total Dissolved Solids): Tổng hàm lƣợng khoáng chất
TOC (Total Organic Carbon): Carbon hữu cơ tổng số
THM: trihalogen methan
Viện CNMT: Viện Công nghệ môi trƣờng

VK: Vi khuẩn
PA: Áp suất xuyên màng khoang anốt
PC: Áp suất xuyên màng khoang catốt


MỤC LỤC
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN ...........................................................................................
1.1. Dung dịch siêu oxy hóa và đặc tính của nó ................................................
1.1.1.
Giới thiệu về dung dịch siêu oxy hóa ......................................................
1.1.2.
Một số phương pháp điều chế dung dịch HHĐH ..................................

6
6
6
1
9
1.1.3.
Tình hình nghiên cứu nước siêu oxy hóa trong nước ............................ 2
5
1.2. Nƣớc thải bệnh viện và đặc trƣng ô nhiễm ............................................... 32
1.2.1.
Đặc điểm ô nhiễm nước thải bệnh viện ................................................. 3
2
1.2.2.
Tiêu chuẩn vi sinh đối với nước thải y tế .............................................. 3
6
1.3. Các phƣơng pháp khử trùng nƣớc thải bệnh viện ..................................... 37
1.3.1.

Công nghệ khử trùng bằng các hợp chất chứa clo ............................... 3
7
1.3.2.
Công nghệ khử trùng bằng ozon ........................................................... 3
8
1.3.3.
Công nghệ khử trùng bằng tia cực tím (UV) ......................................... 4
0
1.3.4.
Khử trùng nước thải bệnh viện bằng dung dịch hoạt hóa điện hóa ...... 4
1
CHƢƠNG II. ĐIỀU KIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .......................... 46
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................... 46
2.2. Phƣơng pháp hồn thiện cơng nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa ..... 46
2.2.1.
Phương pháp khảo sát các tính năng chủ yếu của cơng nghệ hấp thụ
hỗn hợp khí ướt để điều chế dung dịch siêu oxy hóa ............................................ 4
6
2.2.2.
Nghiên cứu khả năng lưu trữ và sự ổn định trong quá trình lưu trữ
của dung dịch siêu oxy hóa ................................................................................... 5
1
2.2.3.
Chế tạo thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa .................................. 5
2
2.2.4.
Các phương pháp xác định thông số của dung dịch siêu oxy hóa ........ 5
4
2.3.
Phƣơng pháp nghiên cứu ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa để khử

trùng nƣớc thải bệnh viện ..................................................................................... 54
2.3.1.
Phương pháp đánh giá hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy
hóa
55
2.3.2.
Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của giá trị pH, amoni, COD và
BOD5 trong nước thải đến hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa ......... 5
6
2.3.3.
So sánh sự tạo thành THMs khi dùng supowa với các chất khử trùng


khác

............................................................................................................... 5
9
2.3.4.
Nghiên cứu ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa để khử trùng nước thải
bệnh viện ............................................................................................................... 5
9
2.4. Vật liệu sử dụng ........................................................................................ 60
2.5. Kỹ thuật sử dụng ....................................................................................... 61
CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 65
3.1. Điều chế dung dịch siêu oxy hóa .............................................................. 65
3.1.1.
Điều chế dung dịch siêu oxy hóa có độ khống hóa thấp sử dụng
phương pháp quay vòng catolit ............................................................................. 6
5
3.1.2.

Điều chế dung dịch siêu oxy hóa theo phương pháp khơng quay vịng
catolit ............................................................................................................... 7
5


3.1.3.
Nghiên cứu khả năng lưu trữ và sự thay đổi chất lượng dung dịch
siêu oxy hóa trong q trình lưu trữ.................................................................... 83
3.1.4.
Nhận xét chung..................................................................................... 91
3.2. Nghiên cứu cải tiến thiết bị điều chế dung dịch siêu oxy hóa supowa.....92
3.2.1.
Thiết kế công nghệ................................................................................ 92
3.2.2.
Chế tạo thiết bị..................................................................................... 96
3.2.3.
Thử nghiệm thiết bị............................................................................... 97
3.2.4.
Nhận xét chung..................................................................................... 98
3.3. Nghiên cứu ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa khử trùng nƣớc thải bệnh
viện...................................................................................................................... 99
3.3.1.
Hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa trên một số chủng vi
sinh gây bệnh thường có trong nước thải bệnh viện............................................ 99
3.3.2.
Ứng dụng supowa để khử trùng nước thải bệnh viện.......................... 113
3.3.3.
Nhận xét chung
129
KẾT LUẬN CHUNG................................................................................................ 130

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ.................................................. 132
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 134


DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1. Đặc trƣng của dung dịch HHĐH thơng thƣờng (dung dịch oxy hóa) và dung dịch
siêu oxy hóa..............................................................................................................................12
Bảng 1. 2. Đặc trƣng lý-hóa của các dung dịch anolit ANK sản xuất trên các thiết bị STEL cải
tiến so sánh với dung dịch hypoclorit natri.............................................................................. 28
Bảng 1. 3. Tiêu chuẩn nƣớc cấp và lƣợng nƣớc thải bệnh viện..............................................32
Bảng 1.4. Giá trị của các chỉ số ô nhiễm..................................................................................36
Bảng 2. 1. Các thông số cơ bản của anolit perox..................................................................... 64
Bảng 3. 1. Chế độ vận hành tối ƣu của sơ đồ quay vòng catolit..............................................71
Bảng 3. 2. Mức độ ổn định của các thông số khi vận hành theo sơ đồ quay vòng catolit........72
Bảng 3.3. Chế độ vận hành tối ƣu của sơ đồ khơng quay vịng catolit....................................81
Bảng 3.4. Mức độ ổn định của các thông số khi vận hành theo sơ đồ khơng quay vịng catolit
81
Bảng 3.5. Sự thay đổi các thông số của dung dịch supowa theo thời gian và cách lƣu trữ.....84
Bảng 3. 6. So sánh ƣu nhƣợc điểm 2 phƣơng pháp................................................................91
Bảng 3.7. Thông số cơ bản của mơ đun điện hóa MB-11........................................................ 95
Bảng 3.8. Kết quả chạy thử nghiệm......................................................................................... 98
Bảng 3.9. Kết quả xác định lƣợng coliform còn sống sau khử trùng bằng supowa ở các nồng
độ khác nhau...........................................................................................................................111
Bảng 3.10. Kết quả xác định lƣợng vi khuẩn còn sống sau khử trùng bằng supowa ở các nồng
độ khác nhau...........................................................................................................................112
Bảng 3.11. Kết quả phân tích nƣớc thải trƣớc và sau khử trùng bằng dung dịch supowa nồng
độ 1,5 mg/L trong 15 phút...................................................................................................... 120
Bảng 3.12. Kết quả sau khử trùng nƣớc thải bệnh viện Hữu Nghị (có bổ sung thêm vi khuẩn)
bằng supowa 1,5 mg/L và 2,0 mg/L trong thời gian 15 phút..................................................121
Bảng 3.13. Kết quả phân tích nƣớc thải trƣớc và sau khử trùng bằng supowa nồng độ 2g/m

123
Bảng 3.14. Kết quả phân tích nƣớc thải bệnh viện Hữu Nghị trƣớc và sau khử trùng bằng

3

3

cloramine B và supowa nồng độ 2g/m ..................................................................................123
Bảng 3.15. Kết quả phân tích nƣớc thải trƣớc và sau khử trùng bằng supowa.....................124
Bảng 3.16. Kết quả phân tích nƣớc thải bệnh viện Quân y 354 trƣớc và sau khử trùng bằng
3

cloramine B và supowa nồng độ 2g/m ..................................................................................124


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý hoạt động của một thiết bị sản xuất nƣớc oxy hóa ANK từ dung
dịch muối ăn............................................................................................................................... 7
Hình 1.2. Đƣờng cong thế năng của một chất trong q trình điện hóa………........………...22
Hình 1.3. Mơ đun buồng điện hóa dịng chảy FEM-3 và mặt cắt dọc, mặt cắt ngang của mơ
đun............................................................................................................................................ 12
Hình 1.4. Mơ đun buồng điện hóa MB-11................................................................................13
Hình 1.5. Sơ đồ ngun lý của FEM-3 điều chế dung dịch HHĐH anolit ANK.....................19
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của MB-11 điều chế dung dịch supowa theo cơng nghệ
hấp thụ hỗn hợp khí ƣớt...........................................................................................................21
Hình 1.7. Tƣơng quan giữa độ khống hóa và nồng độ hỗn hợp các chất oxy hóa.................22
Hình 1.8. Sơ đồ quy trình cơng nghệ cải tiến cho phép điều chế anolit ANK có hàm lƣợng các
chất oxy hóa cao trên thiết bị cải tiến STEL-30-ECO-C..........................................................23
Hình 1.9. Một số sơ đồ điều chế anolit của Nga………………………...……………………35
Hình 1.10. Hệ thiết bị ECAWA-60 và ECAWA-D-500 do Viện CNMT thiết kế chế tạo.........26

Hình 1.11. Sơ đồ thủy lực của các thiết bị kiểu STEL............................................................. 27
Hình 1.12. Phổ hấp thụ UV-Vis của các dung dịch anolit ANK so sánh với phổ nƣớc Javen 29
Hình 2.1. Sơ đồ thủy lực STEL-ANK-PRO-01........................................................................47
Hình 2.2. Cấu tạo buồng điện hóa MB-11................................................................................49
Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm hiệu lực khử trùng của dung dịch supowa phụ thuộc vào nồng độ
chất khử trùng...........................................................................................................................56
+
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ NH4 đến hiệu lực khử trùng
của nƣớc siêu oxy hóa..............................................................................................................56
Hình 2.5. Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu ảnh hƣởng của giá trị BOD 5 đến hiệu lực khử trùng
của nƣớc siêu oxy hóa..............................................................................................................57
Hình 2.6. Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu ảnh hƣởng của pH đến hiệu lực khử trùng của nƣớc
siêu oxy hóa..............................................................................................................................57
Hình 3.1. Sơ đồ điều chế dung dịch siêu oxy hóa với dịng catolit quay vịng........................ 65
Hình 3.2. Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng dịng catolit quay vòng đối với nồng độ các chất oxy hóa
và độ khống hóa trong dung dịch siêu oxy hóa...................................................................... 67
Hình 3.3. Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng dịng catolit quay vịng đối với nhiệt độ buồng điện hóa
hoạt hóa.....................................................................................................................................68
Hình 3.4. Sự phụ thuộc của nồng độ chất oxy hóa (OXH) và năng suất sản xuất chất oxy hóa
vào điện thế điện phân..............................................................................................................68
Hình 3.5. Ảnh hƣởng của chế độ cấp muối lên chất lƣợng dung dịch siêu oxy hóa...............70
Hình 3.6. Ảnh hƣởng của chế độ cấp muối lên năng suất sản xuất chất oxy hóa....................71
Hình 3.7. Hình ảnh màng gốm ban đầu và sau khi bị bám cặn................................................ 73
Hình 3.8. Ảnh hƣởng của số vòng quay catolit đến độ dẫn điện của dung dịch catolit……...74


Hình 3.9. Sơ đồ điều chế dung dịch siêu oxy hóa với dịng catolit khơng quay vịng.............75
Hình 3.10.Sự phụ thuộc của thơng số supowa vào lƣu lƣợng dịng catolit khơng quay vịng.. 77
Hình 3.11. Sự phụ thuộc của nhiệt độ buồng phản ứng vào lƣu lƣợng catolit khơng quay vịng
77

Hình 3.12. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào điện thế điện phân................................... 78
Hình 3.13. Sự phụ thuộc của thơng số supowa vào liều lƣợng cấp NaCl................................79
Hình 3.14. Sự thay đổi pH của supowa theo tỷ lệ trộn hỗn hợp oxy hóa với catolit................80
Hình 3.15. Sự thay đổi pH của dung dịch supowa trong thời gian lƣu trữ..............................85
Hình 3.16. Sự thay đổi TDS của dung dịch supowa trong thời gian lƣu trữ........................... 86
Hình 3.17. Sự thay đổi ORP của dung dịch supowa theo thời gian và cách lƣu trữ................88
Hình 3.18. Sự thay đổi nồng độ các chất oxy hóa của dung dịch supowa trong thời gian lƣu
trữ…………………………………………………………………………………………..…96
Hình 3.19. Sơ đồ ghép nối dịng chảy 4 buồng điện hóa..........................................................94
Hình 3.20. Sơ đồ cấp điện cho 4 buồng điện hóa.....................................................................94
Hình 3.21. Sơ đồ cơng nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa dùng 4 mơ đun MB-11...........95
Hình 3.22. Thiết bị Supowa......................................................................................................96
Hình 3.23. Cụm buồng điện hóa bao gồm 4 mơ đun MB – 11.................................................96
Hình 3.24. Sự phụ thuộc hiệu lực khử trùng của dung dịch supowa vào nồng độ các chất oxy
hóa............................................................................................................................................ 99
Hình 3.25. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa và natri
hypochlorit có cùng nồng độ vào thời gian tiếp xúc.............................................................. 102
Hình 3.26. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của dung dịch supowa vào pH dung dịch .. 105
Hình 3.27. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa vào nồng độ
+
NH4 có trong dung dịch........................................................................................................106
Hình 3.28. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của dung dịch supowa vào hàm lƣợng BOD5
trong dung dịch, so sánh với natri hypochlorite.....................................................................109
Hình 3.29. Hình ảnh thí nghiệm xác định lƣợng coliform còn sống sau khử trùng bằng supowa
ở các nồng độ khác nhau........................................................................................................ 111
Hình 3.30. Khả năng tạo THMs của các chất khử trùng khác nhau.......................................114
Hình 3.31. Nồng độ tổng THMs tăng theo liều lƣợng chất khử trùng...................................115
Hình 3.32. Mức độ tạo thành tổng THMs phụ thuộc liều lƣợng supowa khi có mặt tiền chất
116
Hình 3.33. Sự tạo thành THMs phụ thuộc vào pH và nhiệt độ khi khử trùng bằng supowa .. 117

Hình 3.34. Sơ đồ hệ thống xử lý nƣớc thải Bệnh viện Hữu nghị...........................................119
Hình 3.35. Sơ đồ quy trình sản xuất dung dịch siêu oxy hóa.................................................126
Hình 3.36. Vị trí cấp dung dịch khử trùng..............................................................................127


1

MỞ ĐẦU
Hiện tƣợng hoạt hóa điện hóa (HHĐH) đƣợc nhóm các nhà khoa học
Nga đứng đầu là Bakhir V.M. phát hiện năm 1975, sau đó liên tục đƣợc
nghiên cứu phát triển tại Nga và nhiều nƣớc khác, nay đã trở thành một ngành
công nghệ nổi bật trong lĩnh vực điện hóa đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong
các ngành sản xuất và đời sống trên thế giới.
Q trình hoạt hóa điện hóa đƣợc thực hiện khi dung dịch nƣớc có độ
khống hóa thấp tƣơng đƣơng với nƣớc uống bình thƣờng dƣới tác động của
một điện trƣờng đơn cực trong buồng điện hóa có màng ngăn đƣợc đƣa lên
trạng thái kích thích giả bền với các thơng số hóa-lý khác thƣờng, thay đổi
theo thời gian và dần phục hồi về trạng thái bền nhiệt động học. Các chất lỏng
sau khi đƣợc xử lý điện hóa trong một điện trƣờng đơn cực ở trạng thái giả
bền đƣợc gọi là dung dịch HHĐH, công nghệ điều chế và ứng dụng chúng
đƣợc gọi là cơng nghệ HHĐH.
Để thực hiện các q trình HHĐH dung dịch có độ khống hóa thấp,
nhiều hệ thống điện hóa đặc biệt đã đƣợc nghiên cứu chế tạo ở nƣớc Nga và
nhiều nƣớc trên thế giới. Bộ phận chủ yếu để tạo thành dung dịch HHĐH là các
buồng điện hóa có màng ngăn tạo thành hai khoang anốt và catốt rất hẹp cho
dung dịch nƣớc chảy qua, với tên gọi là FEM (chữ viết tắt trong tiếng Anh của
cụm từ flow-through electrolitic module). Các tính chất hóa-lý của dung dịch
HHĐH đƣợc tạo thành phụ thuộc vào cấu tạo của các FEM, vì vậy các cơng ty
độc lập chế tạo thiết bị HHĐH đều cần chế tạo FEM của riêng mình trƣớc tiên.
Đến năm 2011, trên thế giới đã có một số nƣớc chế tạo đƣợc những FEM loại

này, đi đầu là nƣớc Nga với FEM 3 [1-9]. Cho đến nay, cơ sở duy nhất tại Nga
chế tạo đƣợc các loại FEM đƣợc sử dụng với số lƣợng hàng trăm nghìn chiếc là
Viện nghiên cứu hệ thống và công nghệ điện hóa mang tên Vitold Bakhir –
ngƣời đã tìm ra hiện tƣợng HHĐH. Viện Vitold Bakhir đã đƣa ra loại modun
điện hóa mới đƣợc hồn thiện và có các đặc tính kỹ thuật cao hơn nhiều so với
FEM-3 ký hiệu là MB-11. Loại mơđun MB-11 có kích thƣớc và hình dáng bề
ngoài giống nhƣ FEM-3 nhƣng tạo ra sản phẩm dung dịch HHĐH có tính năng
hơn hẳn FEM-3 về hàm lƣợng chất oxy hóa,


2

giảm tiêu thụ muối trong dung dịch đầu vào. Sơ đồ thủy lực của thiết bị sản
xuất HHĐH sử dụng MB-11 cũng khác sơ đồ sử dụng FEM-3. Dung dịch
HHĐH đƣợc sản xuất từ modul điện hóa MB-11 có tên gọi là dung dịch siêu
oxy hóa do có thành phần hoạt hóa cao nhƣng nồng độ khống rất thấp (tiếng
Anh là super- oxidated water, viết tắt là supowa).
Ở Việt Nam, các nhà khoa học của viện CNMT cũng đã tiếp cận đƣợc với
thiết bị sản xuất dung dịch HHĐH sử dụng MB-11 từ năm 2011. Tuy nhiên, sau
khi thử nghiệm vận hành trong điều kiện thực tế Việt Nam, thiết bị này đã bộc lộ
một số nhƣợc điểm không phù hợp: nhiệt độ buồng điện hóa tăng cao, nhanh
đóng cặn buồng điện hóa,…dẫn đến thiết bị làm việc khơng ổn định, gây ảnh
hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng sản phẩm và tuổi thọ thiết bị.

Nhu cầu hồn thiện cơng nghệ sản xuất dung dịch HHĐH dùng MB-11
trở thành cấp bách từ năm 2011 và nhóm nhà khoa học của Viện CNMT trong
đó tác giả của Luận án này đóng vai trị chính đã tìm ra hƣớng giải quyết là
thay đổi sơ đồ thủy lực của thiết bị đƣợc nhập từ Nga. Việc thiết kế và chế tạo
thiết bị thử nghiệm sử dụng môđun MB-11 thành công sẽ mở ra khả năng mới
giải quyết đƣợc các khó khăn trong khử trùng nƣớc thải bệnh viện là đối

tƣợng nghiên cứu của Viện CNMT từ 15 năm nay.
Để khử trùng nƣớc thải bệnh viện, thơng thƣờng ngƣời ta sử dụng các
chất oxy hố mạnh nhƣ các hợp chất của clo, ozôn hay khử trùng bằng tia cực
tím. Trong các phƣơng pháp này, các hợp chất của clo mà phổ biến là clo khí,
natri hypoclorit (NaOCl), hay canxi hypoclorit (Ca(OCl) 2) [10] đƣợc sử dụng
nhiều nhất từ hơn một trăm năm nay nhờ hoạt lực khử trùng mạnh, kỹ thuật
dễ thực hiện, có hiệu quả trong việc oxy hóa một số hợp chất hữu cơ và vơ cơ
trong nƣớc thải, chi phí thấp hơn so với sử dụng tia cực tím và ozone. Ngồi
ra, dƣ lƣợng clo cịn lại trong nƣớc thải có thể duy trì hiệu lực khử trùng, dễ
kiểm sốt liều lƣợng và thay đổi một cách linh hoạt,..Tuy nhiên, các nhƣợc
điểm của việc sử dụng clo nhƣ: có tính ăn mịn cao và độc hại; việc lƣu trữ,
vận chuyển thƣờng có nguy cơ gây ra rủi ro cao; có khả năng tạo ra các sản
phẩm phụ độc hại nhƣ halogenmethanes và một số chất khác [11-14]; một số
loài ký sinh đã cho thấy sức đề kháng với liều thấp clo, trong đó có kén hợp tử


3

của Cryptosporidium parvum và trứng của giun ký sinh,..) [10] là lý do để các
nhà khoa học tiếp tục tìm kiếm chất khử trùng mới có đầy đủ các tính năng
ƣu việt của clo nhƣng có hiệu quả cao hơn và an tồn hơn.
Dung dịch siêu oxy hóa ngồi các chất oxy hóa chứa clo cịn chứa nhiều
các chất oxy hóa mạnh nhƣ oxy nguyên tử, oxy phân tử đơn 1O2, O3, các gốc
tự do,… nhờ vậy hạn chế đáng kể sự hình thành các hợp chất halogen hữu cơ.
Dung dịch siêu oxy hóa ln tồn tại ở trạng thái kích thích giả bền, do đó
thành phần các chất oxy hóa ln thay đổi, vì vậy các lồi vi sinh vật thực tế
khơng có khả năng thích nghi để chống lại [15].
Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng hệ thống khử trùng
nƣớc bằng dung dịch hoạt hóa điện hóa (HHĐH) điều chế tại chỗ, đặc biệt là
dung dịch siêu oxy hóa với độ khống hóa thấp, phù hợp với điều kiện thực tế

ở Việt Nam, sẽ hạn chế đƣợc những ảnh hƣởng tiêu cực của việc khử trùng
nƣớc bằng clo hiện đang đƣợc sử dụng tại các trạm xử lý nƣớc thải không
chỉ của các bệnh viện mà còn tại nhiều các trạm cấp nƣớc và xử lý nƣớc thải
trong cả nƣớc.
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu cải tiến, hồn thiện quy trình cơng
nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa, từ đó chế tạo thiết bị cho phù hợp với
điều kiện Việt Nam và ứng dụng dung dịch này khử trùng nƣớc thải bệnh
viện.
Đối tượng nghiên cứu ở đây là: dung dịch siêu oxy hóa có nồng độ
khống thấp (bao gồm cải tiến quy trình cơng nghệ điều chế dung dịch, chế
tạo và hoàn thiện thiết bị điều chế dung dịch) và nƣớc thải bệnh viện.
Nội dung nghiên cứu chủ yếu (tính mới của luận án):
- Cải tiến, hồn thiện cơng nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa:
+ Nghiên cứu các ƣu, nhƣợc điểm của cơng nghệ hấp thụ khí ƣớt để điều
chế dung dịch anolit ANK-M của nƣớc ngoài (Nga);
+ Thử nghiệm sơ đồ công nghệ mới ứng dụng công nghệ hấp thụ khí ƣớt
có các cải tiến về mặt kỹ thuật để khắc phục các nhƣợc điểm thiết bị của
nƣớc ngồi nhằm điều chế đƣợc dung dịch siêu oxy hóa có các thơng số
tƣơng đƣơng với anolit ANK-M;


4

+ Tính tốn thiết kế, chế tạo thiết bị hoạt hóa điện hóa điều chế dung dịch
siêu oxy hóa có công suất phù hợp cho việc khử trùng nƣớc thải bệnh viện
quy mô 150 giƣờng bệnh.
- Ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa để khử trùng nƣớc thải bệnh viện:
+ Nghiên cứu hiệu quả khử trùng nƣớc thải bệnh viện của dung dịch siêu
oxy hóa: hiệu quả khử trùng của dung dịch siêu o xy hóa trên một số loại vi
khuẩn gây bệnh thƣờng có trong nƣớc thải bệnh viện; ảnh hƣởng của một số

yếu tố của nƣớc thải bệnh viện đến hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu o
xy hóa: hàm lƣợng amoni, hàm lƣợng hữu cơ, pH….; mức độ tạo sản phẩm
phụ sau khử trùng,…
+ Xây dựng quy trình khử trùng nƣớc thải bệnh viện bằng dung dịch siêu
oxy hóa.
Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan, hồi cứu tài liệu: thu thập các tài liệu đã công bố
trên thế giới và trong nƣớc về HHĐH.
- Nghiên cứu thực nghiệm trong phịng thí nghiệm: điều chế dung dịch
siêu oxy hóa, cách lƣu trữ; nghiên cứu hiệu lực khử trùng của dung dịch điều
chế đƣợc và các yếu tố ảnh hƣởng; chế tạo thiết bị sản xuất dung dịch siêu
oxy hóa;
- Nghiên cứu ngồi thực địa: đánh giá khử trùng nƣớc thải bệnh viện Hữu
Nghị và bệnh viện Quân y 354 bằng dung dịch siêu oxy hóa;
- Dùng phƣơng pháp thống kê toán học xử lý số liệu thực nghiệm;
- Phƣơng pháp phân tích: sử dụng các phƣơng pháp phân tích theo TCVN
và SMEWW.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án:
- Đƣa ra đƣợc quy trình cơng nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa phù
hợp hơn với điều kiện sản xuất ở Việt Nam (giảm nhiệt độ làm việc và tránh
đóng cặn trong buồng điện hóa, kéo dài thời gian làm việc ổn định của buồng
điện hóa), từ đó chế tạo đƣợc thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa sử dụng
buồng điện hóa MB-11;


5

- Ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa để khử trùng nƣớc thải bệnh viện,
mở ra hƣớng đi mới trong việc ứng dụng công nghệ cao để khử trùng nƣớc
ăn uống và nƣớc thải theo hƣớng an toàn cho con ngƣời, thân thiện với mơi

trƣờng.
Những đóng góp mới của luận án:
Luận án đã nghiên cứu và thiết lập thành công sơ đồ thủy lực mới của
hệ thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa supowa cơng suất 500 ± 5 g chất
oxy hóa/ngày tại Việt Nam trên cơ sở áp dụng chế độ khơng quay vịng catolit
thơng qua việc xác lập mối liên hệ giữa số vòng quay catolit và các yếu tố ảnh
hƣởng đến chất lƣợng dung dịch và tuổi thọ thiết bị. Nhờ vậy đã giảm đƣợc
nhiệt độ của catot trong quá trình vận hành xuống dƣới 39 oC, góp phần làm
tăng tuổi thọ và khả năng hoạt động ổn định của thiết bị trong điều kiện khí
hậu nhiệt đới, đáp ứng đƣợc yêu cầu của các trạm xử lý nƣớc thải bệnh viện
quy mô nhỏ (hoặc Trung tâm y tế) cơng suất 150 giƣờng bệnh. Ngồi ra, kết
quả của luận án đã chứng minh cho khả năng có thể nội địa hóa thiết bị sản
xuất dung dịch siêu oxy hóa ngoại trừ việc nhập khẩu mơ đun hoạt hóa điện
hóa.
Các kết quả của luận án đã mở ra hƣớng đi mới trong việc ứng dụng
công nghệ cao để khử trùng nƣớc ăn uống và nƣớc thải theo hƣớng an tồn
cho con ngƣời, thân thiện với mơi trƣờng, giảm thiểu rõ rệt nguy cơ bị nhiễm
độc khí clo cho công nhân trực tiếp vận hành cũng nhƣ cho phép giảm 40%50% việc tạo thành THMs so với việc sử dụng các chất khử trùng khác. Các
nhiệm vụ cụ thể hơn đã đƣợc đặt ra nhằm đƣa dung dịch siêu oxy hóa vào
ứng dụng với giá thành hạ, mức độ tiện dụng cao, an toàn khi sử dụng, phục
vụ tốt cho công tác khử trùng nƣớc thải bệnh viện, góp phần hạn chế sự phát
tán mầm bệnh từ các cơ sở y tế.


6

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1.

Dung dịch siêu oxy hóa và đặc tính của nó

1.1.1. Giới thiệu về dung dịch siêu oxy hóa
1.1.1.1. Dung dịch HHĐH
Theo quan điểm hóa lý, dung dịch HHĐH là một dung dịch muối vơ cơ
lỗng giả bền đƣợc tạo ra dƣới tác động của một điện trƣờng đơn cực (anốt
hoặc catốt) trong buồng điện hóa dịng chảy có màng ngăn. Q trình hoạt hóa
đƣợc diễn ra mạnh mẽ trong một buồng điện hóa có khoảng cách tối thiểu
giữa các điện cực và đƣợc khuấy trộn mãnh liệt (hình 1.3).
Trong số tất cả các loại dung dịch khử trùng có hoạt tính cao nhƣng với
độc tính thấp đƣợc biết từ trƣớc đến nay, các dung dịch anolit trung tính sản
xuất trên các thiết bị HHĐH có nhiều ƣu điểm nổi bật [16,17]. Điều khiến các
nhà y học đặc biệt quan tâm đối với các dung dịch khử trùng này là ở chỗ
chúng khơng cho phép vi khuẩn thích nghi chống lại tác dụng của chúng.
Thực vậy, kinh nghiệm trên 25 năm sử dụng dung dịch HHĐH dƣới tên gọi
anolit nhằm thay thế các chất khử trùng truyền thống tại bệnh viện số 15
thành phố Maxcơva (Nga) đã khẳng định khơng một chủng vi khuẩn kháng
thuốc nào đƣợc tìm thấy sau đó [9]. Đã có khá nhiều cơng trình cơng bố về
nƣớc oxy hóa điện hóa (electrolyzed oxidizing water) [18], trong đó các yếu
tố diệt khuẩn chủ yếu chỉ dựa vào axit hypoclorơ HOCl đƣợc tạo ra trong quá
trình điện phân dung dịch muối NaCl trong buồng điện phân có màng ngăn
với các điện cực đƣợc bố trí cách xa nhau, vì vậy nó khơng thể hiện hiệu ứng
hoạt hóa và do đó khơng có khả năng loại bỏ nguy cơ nhờn thuốc của vi sinh
vật gây bệnh.
Hiện tƣợng hoạt hóa điện hóa (HHĐH) đƣợc kỹ sƣ ngƣời Nga Bakhir V.
M. phát minh năm 1975 trong quá trình nghiên cứu khả năng điều chỉnh các tính
chất của dung dịch khoan bằng phƣơng pháp điện hóa [1]. Tác giả phát minh đã
định nghĩa khái niệm hoạt hóa điện hóa nhƣ sau: HHĐH là tổ hợp các tác động
điện hóa lên dung dịch nƣớc chứa các ion và phân tử của các

7

chất tan tại vùng không gian sát bề mặt điện cực (anốt hoặc catốt) trong một
buồng phản ứng điện hóa dịng chảy có màng ngăn, trong điều kiện chuyển
điện tích không cân bằng qua giới hạn “điện cực - dung dịch” với kết quả là
các thành phần của dung dịch đƣợc đƣa lên trạng thái kích thích giả bền để
sau khi ngừng kích thích sẽ tắt dần về trạng thái cân bằng nhiệt động học [19].
Các điều kiện kỹ thuật này đƣợc thiết lập trong các mơđun điện hóa dịng
chảy FEM [17,20], cho phép tạo ra trạng thái giả bền của sản phẩm với thời
gian kéo dài hàng chục giờ, hoặc lâu hơn tùy thuộc vào nồng độ chất điện ly
đầu vào. Nguyên liệu sử dụng để điều chế dung dịch HHĐH là các dung dịch
muối, chủ yếu là dung dịch muối NaCl (hình 1.1)

Catolit
Anolit

FEM-3

PA> PC

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một thiết bị sản xuất

nƣớc oxy hóa ANK từ dung dịch muối ăn [18]
Nƣớc đƣợc hoạt hóa tại vùng anốt đƣợc đặc trƣng bởi hoạt tính thiếu điện
tử, thể hiện tính chất oxy hóa, đƣợc gọi là anolit. Tƣơng tự nhƣ vậy, nƣớc
đƣợc hoạt hóa tại vùng catốt cho hoạt tính dƣ điện tử, thể hiện tính chất khử,
đƣợc gọi là catolit.
Dung dịch anolit bao gồm hàng loạt các tác nhân oxy hóa hoạt tính cao nhƣ:
-

•

•

•

1

•

HClO, ClO , Cl , HO , HO2 , H2O2, O2, O , Cl2, ClO2, O3...Tất cả những chất
này đều có thể hiện diện trong mơi trƣờng bên trong cơ thể sống, bởi vì


8

cơ sở của quá trình thực bào dựa trên sự tổng hợp các chất oxy hóa tƣơng tự
từ trong huyết tƣơng. Tác động kết hợp của các chất hoạt động này làm cho vi
sinh vật khó thích nghi đƣợc với tác dụng khử trùng của anolit ANK, đồng
thời nồng độ nhỏ của các hoạt chất chứa oxy và clo đã đảm bảo tính an tồn
đối với sức khỏe con ngƣời và mơi trƣờng trong q trình sử dụng lâu dài
[21].
Q trình điện phân đã đƣợc khảo sát chi tiết trong khoảng gần 2 thế kỷ kể
từ khi nó đƣợc phát minh. Thế nhƣng cho đến nay, khi tính tốn cân bằng
năng lƣợng tiêu hao cho quá trình điện phân, ngƣời ta vẫn khơng có đƣợc kết
quả tƣơng ứng với lý thuyết: một phần nào đó của năng lƣợng đƣa vào đã bị
mất đi mà khơng rõ ngun nhân.
Để có thể hiểu đƣợc sự mất cân bằng năng lƣợng đó, trƣớc hết chúng ta
hãy xét một quá trình điện phân cổ điển, trong đó dịng điện một chiều đƣợc
cho chạy qua hai điện cực trong một dung dịch điện ly không có màng ngăn.

Kết quả là thành phần hóa học trong dung dịch thay đổi: tại vùng catốt các
điện tử liên kết với các ion và phân tử tạo ra sản phẩm khử, còn tại vùng anốt
các ion và phân tử bị mất điện tử, nghĩa là các chất tan bị oxy hóa. Trong q
trình điện phân, tại khu vực gần catốt thể hiện tính chất kiềm rõ ràng, cịn tại
vùng anốt – tính chất axit. Hiện tƣợng này khơng có gì mới và khác thƣờng
nên bị các nhà điện hóa bỏ qua, bởi lẽ quan tâm chủ yếu của họ là sản phẩm
cụ thể nhận đƣợc sau quá trình điện phân [1]. Tuy nhiên, các nhà khoa học
điện hóa thống nhất với nhau ở một điểm chung là năng lƣợng cấp cho quá
trình điện phân chủ yếu đƣợc sử dụng cho việc thực hiện các phản ứng hóa
học và tăng cƣờng động năng của các nguyên tử, phân tử và ion đƣợc thể
hiện dƣới dạng phát tán nhiệt.
Tác giả phát minh hiện tƣợng HHĐH đã đề xuất giả thuyết cho rằng một
phần năng lƣợng đó đƣợc tiêu hao nhằm làm tăng thế năng của các thành
phần có mặt trong dung dịch điện ly trong khi nhiệt độ và áp suất của hệ phản
ứng không thay đổi, do vậy đại lƣợng này đƣợc gọi là thế năng nội tại [4]. Ở
đây khái niệm “thế năng nội tại” đƣợc đƣa vào nhằm phân biệt với thế năng


9

dễ dàng chuyển thành động năng (thơng qua q trình phát tán nhiệt) [3]. Sự
gia tăng thế năng nội tại khơng liên quan đến q trình chuyển mức năng
lƣợng của các điện tử, mà chỉ là sự tăng giảm bán kính của các quỹ đạo điện
tử trong mức năng lƣợng của chúng. Trong q trình hoạt hóa nói chung, sự
tích trữ năng lƣợng thế năng nội tại trong một chất dẫn đến làm biến đổi mật
độ chất trong dung dịch có thể đƣợc xác định bởi hai q trình khác nhau.
a) Quá trình thứ nhất diễn ra khi tác động hoạt hóa mạnh (ví dụ dƣới tác
động của chùm tia X) các điện tử của chất sẽ chuyển mức năng lƣợng và trao
đổi năng lƣợng không bức xạ giữa các phần tử của chất hoạt hóa với nhau,
tạo ra các mức kích thích khác nhau. Các chất giả bền trong q trình này có

thể tồn tại lâu dài nếu nhƣ các chuyển mức lƣợng tử về các trạng thái có năng
lƣợng thấp hơn bị cấm bởi nguyên tắc chọn đƣợc xác lập bởi định luật bảo
toàn năng lƣợng và xung. Thí dụ, q trình huỳnh quang của một chất là một
quá trình liên quan tới sự hiện diện của các phân tử giả bền ở trạng thái kích
thích triplet (T1) mà các chuyển mức về trạng thái singlet (S) bị cấm bởi
nguyên tắc chọn gần đúng ∆S = 0 (trong đó S là số lƣợng tử spin, bằng 0 đối
với trạng thái singlet và bằng I đối với trạng thái triplet).
b) Q trình thứ hai khi tác động hoạt hóa không mạnh lắm, gây ra sự biến
đổi mật độ chất nhƣng không liên quan tới sự chuyển mức năng lƣợng của
các điện tử là q trình trong đó kích thƣớc quỹ đạo của nguyên tố bị biến đổi
bởi các tác động hoạt hóa yếu. Hình 1.2 cho thấy trong q trình HHĐH, tại
vùng catốt bán kính quỹ đạo điện tử giãn ra, trong khi tại vùng anốt nó bị co
lại (các đƣờng cong 2 và 3 tƣơng ứng). Dễ dàng nhận thấy rằng trong cả hai
trƣờng hợp, thế năng nội tại của chất đều tăng do bán kính quỹ đạo điện tử
của nó đều dịch khỏi vị trí cân bằng. Nhƣ vậy, chính lƣợng dƣ nội thế năng
trong các nguyên tử đã làm cho chúng tồn tại trong trạng thái kích thích giả
bền, thể hiện khả năng phản ứng cao trong khi phục hồi từ trạng thái kích
thích về trạng thái cân bằng. Hiển nhiên lƣợng dƣ thế năng nội tại dần dần sẽ
chuyển thành động năng (dƣới dạng nhiệt năng) và hoạt tính của nƣớc sẽ
giảm dần trở về giá trị khơng. Trong các bể điện phân bình thƣờng hiện
tƣợng hoạt hóa mất đi rất nhanh là do quá trình khuấy trộn khuếch tán.


10

Nhƣng nếu nƣớc đƣợc xử lý bằng một điện trƣờng đơn cực và nhờ vậy loại
bỏ đƣợc sự khuấy trộn phần dung dịch điện ly tại khu vực anốt và catốt, thì
hiện tƣợng hoạt hóa đƣợc duy trì rất lâu và thời gian thể hiện hoạt tính cao
của nƣớc sau điện phân rất dài so với thời gian sống của các điện tử hydrat
hóa hoặc các gốc tự do hình thành trong q trình tác động điện hóa. Quan sát

đƣờng cong (3) (hình 1.2) ta thấy sau khi dung dịch hoạt hóa anốt đƣợc đƣa
lên trạng thái kích thích (điểm d),
để đƣa dung dịch trở về trạng
thái bền vững ban đầu (điểm a),
quá trình phục hồi trƣớc tiên phải
đi qua điểm thế năng cực tiểu của
đƣờng cong (3) sau đó qua điểm
cắt với đƣờng cong thế năng của
dung dịch điện hóa bình thƣờng
(đƣờng cong 1) và cuối cùng mới
đạt tới giá trị thế năng cực tiểu
của dung dịch ban đầu (điểm a).
Chính vì lẽ đó, các tham số lý-hố

Hình 1. 2. Đƣờng cong thế năng của

một chất trong quá trình điện hóa [21]:
1) Đƣờng điện hóa-bình thƣờng; 2) Đƣờng điện hóa
hoạt hóa catốt; 3) Đƣờng điện hóa hoạt hóa anốt

giả bền của dung dịch sau khi ngừng
tác động hoạt hóa có thời gian phục hồi kéo dài có thể đến hàng chục giờ [16].
Trong khi đó, nếu dung dịch đƣợc điện phân bình thƣờng, thì quá trình phục
hồi từ điểm c về điểm a diễn ra rất nhanh không gặp trở ngại gì đáng kể
(đƣờng cong 1).
Sự ngang bằng nhiệt độ của dung dịch trƣớc và sau khi hoạt hóa chứng tỏ
động năng của nó là khơng thay đổi. Trong trƣờng hợp đó, sự thay đổi các
tính chất hóa-lý của các chất có mặt trong hệ cũng nhƣ khả năng phản ứng
của chúng sau hoạt hóa chỉ có thể là do sự thay đổi của thế năng nội tại, mà
thƣớc đo của nó theo định nghĩa vật lý cổ điển là khoảng cách trung bình giữa

các hạt của chất, hoặc nói cách khác, là mật độ của chất [20]. Đồng thời, sau


11

khi dừng tác dụng hoạt hóa một thời gian nhất định, mật độ của các chất trở
về giá trị ban đầu.
Nhƣ vậy, một chất đƣợc gọi là hoạt hóa là khi dự trữ thế năng nội tại của
nó dƣới tác dụng của yếu tố bên ngồi nào đó tạm thời không tƣơng ứng với
các giá trị cân bằng nhiệt động học của nhiệt độ và áp suất. Tƣơng tự nhƣ
vậy, một tác động đƣợc xem là hoạt hóa khi nó làm cho thế năng nội tại của
một chất tạm thời xê dịch khỏi giá trị cân bằng nhiệt động học. Thuật ngữ
“năng lƣợng tác động hoạt hóa” đƣợc hiểu là phần năng lƣợng của một
tƣơng tác không cân bằng đƣợc lƣu lại trong chất dƣới dạng thế năng nội tại
rồi phát tán dần để chuyển thành nhiệt năng [7].
Nói chung các q trình hoạt hóa tồn tại đƣợc là do hai quá trình phục hồi
theo động năng (nhiệt độ) và theo thế năng nội tại, cịn gọi là q trình phát
tán năng lƣợng dƣ theo thời gian (energy dissipation). Hai quá trình này
thƣờng khác nhau đáng kể về thời gian, trong đó q trình thứ nhất diễn ra
nhanh hơn nhiều so với quá trình thứ hai mà kết quả đã đƣợc khẳng định bằng
nhiều số liệu thực nghiệm [3].
1.1.1.2. Dung dịch siêu oxy hóa – một dạng đặc biệt của dung dịch HHĐH
Có thể định nghĩa dung dịch siêu oxi hóa nhƣ sau: Dung dịch siêu oxi
hóa là dung dịch HHĐH có hoạt tính oxi hóa cao trong khi độ khống hóa cực
thấp [22].
Dung dịch siêu oxy hóa (supowa) nghiên cứu trong các nội dung tiếp sau
đây đƣợc tạo ra trên cơ sở sử dụng mô đun MB-11. Nghĩa là dung dịch
supowa đƣợc tạo ra trên cơ sở nguyên lý chung của công nghệ điều chế các
dung dịch HHĐH, dựa trên việc khai thác các tính chất nhiệt động học khơng
cân bằng của các phản ứng điện hóa.

Nhiệt động học khơng cân bằng có thể hiểu đơn giản nhƣ sau:
Năng lượng kích thích mà một chất nhận được trong quá trình hoạt hóa
được lưu lại trong nó làm cho thể tích mol của chất đó dịch khỏi trạng thái
cân bằng trong khi áp suất và nhiệt độ không thay đổi.


12

Dƣới đây là bảng so sánh đặc trƣng của dung dịch HHĐH thơng thƣờng
(dung dịch oxy hóa) và dung dịch siêu oxy hóa:
Bảng 1.1. Đặc trƣng của dung dịch HHĐH thơng thƣờng (dung

dịch oxy hóa) và dung dịch siêu oxy hóa [23]
STT

Các thơng số kỹ thuật

DD HHĐH

DD siêu oxy
hóa

1

Nồng độ khống (Tổng lƣợng chất
tan- mg/L)

~4500 ÷ 5000

~ 1000 ÷ 1500

2

Nồng độ chất oxy hóa tối ƣu, mg/L

~300

~500

3

Thế oxy hóa khử (mV)

> 800

> 800

4

pH

6,5 ÷ 7,5

6,5 ÷ 7,5

Sự khác biệt của dung dịch siêu oxy hóa so với dung dịch HHĐH bình
thƣờng là mơđun MB-11 của thiết bị điều chế có kết cấu và đặc tính kỹ thuật
khác biệt ít nhiều so với mơđun FEM-3, cụ thể là có lớp phủ anốt bền vững
hơn, với điện áp phân cực cao hơn (≥ 3V). Nhờ vậy mơ đun MB-11 cho phép
hoạt hóa các dung dịch với độ khống hóa thấp hơn nhiều (tƣơng đƣơng độ

khống hóa của nƣớc cấp sinh hoạt của thành phố). Hình 1.3 và 1.4 cho thấy
hình dáng của loại FEM-3 và FEM MB-11 sản xuất tại LB Nga.
Màng ngăn

Anốt

Catốt

a,

b,

Hình 1.3. Mơ đun buồng điện hóa dịng chảy FEM-3 (a) và mặt

cắt dọc, mặt cắt ngang của mô đun (b) [21]


13

Hình 1.4. Mơ đun buồng điện hóa MB-11 [21]

Mơ đun MB-11 đƣợc dùng để điều chế dung dịch siêu oxy hóa, có kích
thƣớc tƣơng tự FEM-3 nhƣng khác biệt về thành phần lớp phủ anốt. Các mô
đun FEM-3 và MB-11 có điện cực đƣợc làm từ Titan tinh khiết nhãn hiệu
BT1-00. Bề mặt điện cực anốt đƣợc phủ lớp ôxit TiO 2-x(với tỷ phần oxy trong
ôxit nhỏ hơn tỷ phần đƣơng lƣợng TiO2, nhằm tăng độ dẫn của điện cực) và
sau đó phủ thêm các ơxit kim loại q hiếm nhƣ bạch kim (PTA), hỗn hợp IrRu-Sb, Ir-Ru-Ti hoặc Ru (ORTA), nhằm tăng điện áp phân cực cũng nhƣ tuổi
thọ của điện cực anốt. Điện cực anốt dạng hình trụ với đƣờng kính 8 mm.
Bên ngồi là catốt đƣợc làm bằng ống Ti kim loại có đƣờng kính ngồi 20
mm. Màng ngăn giữa anốt và catốt làm bằng gốm xốp có chiều dày khoảng 1

mm và kích thƣớc lỗ xốp khoảng 1÷2 micromet,với thành phần chủ yếu là
cácơxit Al, Zr và Y. Trong quá trình HHĐH bề mặt màng trở thành lƣỡng cực:
phía hƣớng về anốt mang điện tích dƣơng, cịn phia hƣớng về catốt – điện
tích âm. Tính chất lƣỡng cực đó đã làm cho các dịng chảy trong các khoang
HHĐH chuyển động theo hình xoắn ốc (hình 1.3 b), nhờ vậy các vi thể tích
nƣớc đƣợc tiếp cận tối đa với lớp điện kép trên bề mặt điện cực có cƣờng độ
điện trƣờng hàng trăm nghìn V/cm, tạo điều kiệncho q trình hoạt hóa dung
dịch diễn ra một cách hữu hiệu. Có thể nói, đây là một đặc tính nổi trội của
các mơ đun FEM mà khơng một thiết bị điện hóa nào khác có đƣợc.
Việc sử dụng các mô đun MB-11 cho phép thu nhận các dung dịch anolit
ANK có hoạt tính oxy hóa cao nhƣng với nồng độ muối NaCl ban đầu rất
thấp, không vƣợt quá nồng độ TDS của nƣớc sinh hoạt [24]. Điều này hết sức
có ý nghĩa xét theo quan điểm an tồn sinh thái và hiệu quả tác dụng của sản
phẩm. Bởi vì nếu trong nguồn nƣớc cần xử lý cịn có mặt các chất hữu cơ, thì
các thành phần oxy hóa chứa clo có nguy cơ tạo ra các hợp chất halogen hữu