Bai Tap Nhom 2.Doc

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.............................................................................................................................3
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC
THẢI BẬC CAO................................................................................................................4
1.1.
1.2.

CÁC KỸ THUẬT CAO TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢII...................................4
ĐỐI TƯỢNG VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI
BẬC CAO............................................................................................................................4
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT MÀNG...................................................................................6
2.1. KỸ THUẬT LỌC MICRO (MICROFITRATION – MF) [12]..............................................6
2.2. KỸ THUẬT LỌC ULTRA (ULTRFILTRATION – UF)......................................................8
2.2.1. Giới thiệu màng..................................................................................................8
2.2.2. Một số đặc điểm của kỹ thuật Ultrafiltration......................................................8
2.2.3. Nguyên lý hoạt động của màng lọc Ultrafiltration.............................................9
2.2.4. Ứng dụng của kỹ thuật lọc ultra.........................................................................9
2.3. KỸ THUẬT LỌC NANO (NANOFILTRATION –NF)......................................................10
2.3.1. Cơ sở lý luận khoa học của công nghệ nano....................................................10
2.3.2. Chế tạo vật liệu nano........................................................................................11
2.3.2.1. Phương pháp từ trên xuống(top-down)..........................................................11
2.3.2.2. Phương pháp từ dưới lên (bottom – up)........................................................11
2.3.3. Ứng dụng công nghệ nano vào công nghệ lọc nước.........................................12
2.4. KỸ THUẬT THẨM THẤU NGƯỢC (REVERSE OSMOSIS – RO) [3]...............................13
2.4.1. Hiện tượng thẩm thấu.......................................................................................13
2.4.2. Kỹ thuật thẩm thấu ngược.................................................................................14
2.4.3. Những điều cần lưu ý khi sử dụng kỹ thuật thẩm thấu ngược..........................14
2.4.4. Ứng dụng của kỹ thuật RO................................................................................15
2.5. KỸ THUẬT ĐIỆN THẨM TÁCH ED (ELECTRO DIALYSIS) [3]....................................15
2.5.1. Cơ sở của kỹ thuật điện thẩm tách....................................................................15
2.5.2. Cấu tạo và tính chất của màng trao đổi ion.....................................................16

2.5.3. Ứng dụng và những điều cần lưu ý khi sử dụng ED.........................................16
2.5.4. Kỹ thuật điện thẩm tách đảo chiều EDR (Electro Dialysis Reversal)..............17
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT OXI HÓA TĂNG CƯỜNG...............................................18
3.1 CÁC KỸ THUẬT OXY HĨA NÂNG CAO KHƠNG NHỜ TÁC NHÂN ÁNH SÁNG
(ADVANCED NON PHOTOCHEMICAL OXIDATION PROCESSES-ANPOS) [1]...................20
3.1.1. Quá trình Fenton...............................................................................................20
1


3.1.1.1. Quá trình Fenton đồng thể.............................................................................21
3.1.1.2. Quá trình Fenton dị thể..................................................................................24
3.1.1.3. Q trình Fenton điện hóa.............................................................................26
3.1.2. Các q trình oxi hóa nâng cao trên cơ sở ozon: Peroxon và catazon............27
3.1.2.1. Quá trình Peroxon (O3/ H2O2 )......................................................................27
3.1.2.2. Quá trình Catazon (O3/Cat)...........................................................................29
3.1.2.2.1. Quá trình Catazon đồng thể........................................................................29
3.1.2.2.2. Quá trình Catazon dị thể.............................................................................30
3.1.3. Q trình oxi hóa điện hóa...............................................................................31
3.2. CÁC KỸ THUẬT OXI HĨA NÂNG CAO NHỜ TÁC NHÂN ÁNH SÁNG.............................31
3.2.1. Q trình quang Fenton....................................................................................31
3.2.2. Các kỹ thuật quang xúc tác bán dẫn.................................................................33
3.2.2.1. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn và xúc tác quang hóa........................................33
3.2.2.2. Tính chất xúc tác quang hóa của TiO2...........................................................36
3.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác của nano TiO2..............39
3.2.2.3.1. Sự tái kết hợp lỗ trống và electron quang sinh...........................................39
3.2.2.3.2. pH dung dịch...............................................................................................41
3.2.2.3.3. Nhiệt độ.......................................................................................................41
3.2.2.3.4. Các tinh thể kim loại gắn trên xúc tác........................................................41
3.2.2.3.5. Pha tạp (doping) ion kim loại vào tinh thể TiO2.........................................42
3.2.2.3.6. Các chất diệt gốc hydroxyl.........................................................................42

KẾT LUẬN.......................................................................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................44

2


MỞ ĐẦU
Hiện nay, vấn đề ơ nhiễm mơi trường nói chung và đặc biệt là ơ nhiễm mơi trường
nước nói riêng đang là mối quan tâm của toàn nhân loại.
Nước là nhân tố quan trọng nhất quyết định sự sống trên Trái Đất. Cùng với sự
tăng dân số kéo theo nhu cầu sử dụng nước cũng tăng. Theo thống kê của tổ chức y tế thế
giới hiện nay có khoảng 1/3 dân cư trên thế giới thiếu nước sạch để sinh hoạt vì có rất
nhiều nguồn nước bị ơ nhiễm do nước thải chưa được xử lý của các nhà máy công
nghiệp, nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp (thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực
vật….), nước rò rỉ từ các bãi chôn lấp chất thải rắn…
Ở Việt Nam, nhiều khu, cụm, điểm công nghiệp trên cả nước chưa đáp ứng được
những tiêu chuẩn về môi trường theo quy định. Thực trạng đó làm cho mơi trường sinh
thái ở một số địa phương bị ô nhiễm nghiêm trọng đặc biệt là các cộng đồng dân cư lân
cận với các khu công nghiệp. Cùng với sự ra đời ồ ạt các khu, cụm, điểm công nghiệp,
các làng nghề thủ công truyền thống cũng có sự phục hồi và phát triển mạnh mẽ. Việc
phát triển các làng nghề có vai trị quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội và giải
quyết việc làm ở các địa phương. Tuy nhiên, hậu quả về môi trường do các hoạt động sản
xuất làng nghề đưa lại cũng ngày càng nghiêm trọng. Hình thức các đơn vị sản xuất của
làng nghề rất đa dạng, có thể là gia đình, hợp tác xã hoặc doanh nghiệp. Tuy nhiên, do
sản xuất mang tính tự phát, sử dụng công nghệ thủ công lạc hậu, chắp vá, mặt bằng sản
xuất chật chội, việc đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải ít được quan tâm, ý thức
bảo vệ môi trường sinh thái của người dân làng nghề cịn kém nên tình trạng ơ nhiễm mơi
trường tại các làng nghề ngày càng trầm trọng.
Vì vậy, một yêu cầu được đặt ra cho các nhà khoa học và công nghệ phải nghiên
cứu các kỹ thuật cao xử lý triệt để các chất ô nhiễm môi trường. Do đó, chúng tơi chọn đề

tài: “Kỹ thuật xử lý nước và nước thải bậc cao(Advanced Wastewater Treatment
technologies)”

3


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC VÀ
NƯỚC THẢI BẬC CAO
1.1.

Các kỹ thuật cao trong xử lý nước và nước thải

Những kỹ thuật cao đã xuất hiện trong thập kỷ gần đây đã được đưa vào thực tế để
xử lý nước và nước thải. Công nghệ xử lý nước thải bậc cao được định nghĩa là: “Bất kỳ
quá trình thiết kế nào để tạo ra nước thải có chất lượng cao hơn nước thải bình thường
đạt được bởi các quá trình xử lý thứ cấp hoặc bao gồm các cơng đoạn khơng có trong xử
lý thứ cấp”. Nổi bật là kỹ thuật lọc bằng màng, kỹ thuật khử trùng bằng bức xạ tử ngoại,
kỹ thuật phân hủy khống hóa chất ơ nhiễm hữu cơ bằng các q trình oxy hóa nâng cao
1.2.

Đối tượng và sự cần thiết của các kỹ thuật xử lý nước và nước thải bậc cao

Hóa chất bảo vệ thực vật bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ nấm.. là
những hóa chất độc hại, bền vững và khó phân hủy trong môi trường. Với những nước
sản xuất nông nghiệp như nước ta, lượng hóa chất bảo vệ ngày càng tăng, nên lượng hóa
chất bảo vệ thực vật tan trong nước, ngấm xuống đất thâm nhập vào nguồn nước mặt,
sơng ngịi, ao hồ, lan truyền vào những mạch nước ngầm tích lũy ngày càng nhiều.
Nước thải dệt nhuộm là sự tổng hợp nước thải phát sinh từ tất cả các công đoạn hồ
sợi, nấu tẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in và hồn tất. Theo phân tích của các
chun gia, trung bình một nhà máy dệt nhuộm sử dụng một lượng nước đáng kể, trong

đó, lượng nước được sử dụng trong các công đoạn sản xuất chiếm 72,3%, chủ yếu là
trong cơng đoạn nhuộm và hồn tất sản phẩm. Xét hai yếu tố là lượng nước thải và thành
phần các chất ô nhiễm trong nước thải, ngành dệt nhuộm được đánh giá là ô nhiễm nhất
trong số các ngành công nghiệp. Các chất ơ nhiễm chủ yếu có trong nước thải dệt nhuộm
là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, thuốc nhuộm, các chất hoạt động bề mặt, các hợp
chất halogen hữu cơ (AOX- Adsorbable Organohalogens), muối trung tính làm tăng tổng
hàm lượng chất rắn, nhiệt độ cao (thấp nhất là 40°C) và pH của nước thải cao do lượng
kiềm trong nước thải lớn. Trong số các chất ô nhiễm có trong nước thải dệt nhuộm, thuốc
nhuộm là thành phần khó xử lý nhất, đặc biệt là thuốc nhuộm azo không tan – loại thuốc
nhuộm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, chiếm 60-70% thị phần. Thông thường, các
chất màu có trong thuốc nhuộm khơng bám dính hết vào sợi vải trong quá trình nhuộm
mà bao giờ cũng còn lại một lượng dư nhất định tồn tại trong nước thải. Lượng thuốc
nhuộm dư sau cơng đoạn nhuộm có thể lên đến 50% tổng lượng thuốc nhuộm được sử
4


dụng ban đầu. Đây chính là nguyên nhân làm cho nước thải dệt nhuộm có độ màu cao và
nồng độ chất ơ nhiễm lớn.
Nước thiên nhiên, ngồi việc có mặt có các chất gây ơ nhiễm kể trên, ln có mặt
của các chất gây ơ nhiễm có trong tự nhiên như: acid humic, các chất hữu cơ thiên nhiên,
các protein, lipit….Các thành phần của nước thiên nhiên thay đổi theo mùa, theo vùng
lãnh thổ. Các chất hữu cơ thiên nhiên này có phản ứng với clo sử dụng khi xử lý nguồn
nước mặt hoặc nước ngầm để cung cấp cho sinh hoạt và các nhu cầu khác của cuộc sống.
Kết quả là bên cạnh thu được nước sạch, cũng tạo thêm trong nước sau xử lý có sản phẩm
phụ khác, chủ yếu là chất hữu cơ chứa clo như trihalometan (THM) bao gồm:
triclorometan (cloroform), dibromoclorometan, bromodiclorometan và tribromometan
(bromoform). Các chất này khi đi vào cơ thể đều gây hại cho sức khỏe con người.
Theo dự báo của các nhà khoa học về nước, đến năm 2030 thế giới sẽ thiếu nước
cho dân cư trên hành tinh, vì thế một thách thức mới được đặt ra cho các nhà khoa học và
cơng nghệ là phải tìm các cơng nghệ hữu hiệu xử lý triệt để các chất ô nhiễm trong nước,

đặc biệt là các chất hữu cơ khó phân hủy để có thể thu lại nước sạch từ các nguồn thải
khác nhau.
Trước những yêu cầu và thách thức nói trên đặt ra cho ngành xử lý nước và nước
thải. Những phương pháp sinh học, vật lý, hóa lý hoặc thậm chí phương pháp hóa học áp
dụng cho các q trình oxi hóa thơng thường đã tồn tại trong thời gian dài trong công
nghệ xử lý nước, nước thải truyền thống đã cho thấy khơng đủ sức giải quyết các u cầu
địi hỏi trên. Vì thế cần một kỹ thuật cao cho xử lý nước và nước thải.

5


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT MÀNG
Kỹ thuật lọc bằng màng được định nghĩa tổng quát là các kỹ thuật sử dụng màng
bán thấm (semipermeable membrane) để thực hiện quá trình phân chia dòng nước đầu
vào thành hai phần: phần nước thấm đi qua màng và phần bị chặn lại, không đi qua màng.
Phần nước thấm qua màng là nước sạch, phần bị cản lại không qua màng là phần chứa
các chất ô nhiễm cần xử lý. Màng lọc chính là một rào cản chọn lọc, cho vật này đi qua
nhưng không cho vật khác qua.
Sự khác nhau giữa kỹ thuật lọc bằng màng và kỹ thuật lọc truyền thống là ở chỗ,
với công nghệ lọc truyền thống, vật liệu thường sắp xếp thành lớp với độ dày nhất định,
nước đi thẳng góc với lớp vật liệu lọc và chất bị chặn lại sẽ được giữ trong lớp vật liệu
lọc, đến một lúc nào đó, trở lực lớp vật liệu lọc tăng do bị lấp đầy các chất bị cản này, quá
trình lọc sẽ bị dừng lại. Trong khi đó, với kỹ thuật lọc bằng màng, chất bị chặn lại được
giữ trên bề mặt màng lọc và sau đó được dịng nước chạy ngang trên bề mặt quét đi, bề
mặt sẽ tự làm sạch và quá trình lọc được liên tục. Kỹ thuật lọc truyền thống còn được gọi
là kỹ thuật lọc dịng nước đi theo chiều thẳng vng góc với vật liệu lọc (perpendicular
flow), kỹ thuật lọc bằng màng còn được gọi là cơng nghệ lọc dịng nước đi theo chiều dọc
màng lọc (crossflow).
Màng lọc bán thấm là thành phần quyết định quan trọng trong kỹ thuật lọc bằng
màng. Tùy theo kích thước hình học các lỗ xốp của màng bán thấm có thể tách ra khỏi

nước các phần tử có kích thước khác nahu ở mức độ phân tử hoặc ion, kể cả những chất
hịa tan hay khơng hịa tan, chất vô cơ hoặc hữu cơ, các vi khuẩn hoặc virut. Các kỹ thuật
lọc bằng màng phổ biến nhất hiện nay bao gồm:
-

Kỹ thuật lọc micro (Microfitration – MF)
Kỹ thuật lọc ultra (Ultrfiltration – UF)
Kỹ thuật lọc nano (Nanofiltration – NF)
Kỹ thuật thẩm thấu ngược (Reverse osmosis – RO)
Kỹ thuật điện thẩm tách ((Electro Dialysis – ED)

2.1. Kỹ thuật lọc micro (Microfitration – MF) [12]
Kỹ thuật lọc micro (MF) là một q trình để tách vật liệu có kích thước dạng keo
và lớn hơn từ các dung dịch. Kỹ thuật này thường được áp dụng bằng cách sử dụng
màng. Màng lọc Micro thường được phân loại theo kích thước lỗ lọc, và theo quy ước có
đường kính lỗ nằm trong khoảng 0,1 đến 10μm. Màng vi lọc nói chung là đủ xốp để vượt
6


qua các phân tử có trong dung dịch ngay cả khi các phân tử rất lớn. Như vậy, màng vi lọc
có thể được sử dụng để khử trùng các dung dịch bởi vì nó có thể có kích thước lỗ 0,3μm
là đường kính của vi khuẩn nhỏ nhất Pseudomonas diminuta.
Những điểm cần thiết cho việc lọc màng micro có hiệu quả:
-

Kích thước lỗ đồng nhất

-

Mật độ lỗ

-

Độ mỏng của lớp hoạt động hoặc lớp ở đó các lỗ có đường kính tối thiểu
Tất cả các màng MF hiện tại có thể được phân loại ra thành: "tortuous-pore" or
"capillarypore". Cấu trúc "capillarypore" được phân biệt thơng qua mao mạch hình trụ
thẳng, trong khi "tortuous-pore" cấu trúc giống như một miếng bọt biển với một mạng
lưới các lỗ liên kết quanh co với nhau. Các màng "tortuous-pore" là phổ biến nhất và
bao gồm các màng cellulose điển hình và hầu hết tất cả các polyme khác. Màng
"capillarypore" hiện đang được sản xuất thương mại bởi NUclepore Corp. và Poretics
Corp. Chúng là các polyme có sẵn như polycarbonate hoặc màng polyester.
Các màng polyme chiếm thị yếu trong thị trường trong lĩnh vực vi lọc. Các công
ty kinh doanh kỹ thuật vi lọc trên thế giới đều bán được màng polyme với số lượng nhiều
hơn màng làm bằng vật liệu vô cơ. Nylon, polysulfone, và poJyvinylidene florua là
polymer chính được sử dụng, trong đó Polypropylene được sử dụng rộng rãi trong quá
trình lọc Micro.
Một số màng vi lọc mới hơn là màng gốm dựa trên nhơm (Alcoa-Ceraver), màng
hình thành trong q trình oxi hóa anot nhôm (Anotec), và màng carbon (GFT). Thủy
tinh cũng được sử dụng như một loại vật liệu màng. Zirconium oxide cũng là chất để gửi
vào một ống carbon xốp. Màng kim loại được thiêu kết từ thép không gỉ, bạc, vàng, bạch
kim, và niken, trong đĩa và ống.
Ứng dụng kỹ thuật MF trong xử lý nước: Ưu điểm lớn nhất của kỹ thuật lọc micro là có
thể khử trùng mà không cần đến clo. Một nghiên cứu gần đây ở ÚC đã chỉ ra rằng màng
vi lọc có thể loại bỏ vi rút từ bề mặt chất ô nhiễm. Mặc dù vi rút nhỏ hơn rất nhiều so với
kích thước của lỗ mao quản, nhưng nghiên cứu đã tìm ra vi rút được hấp thụ trên các hạt
đất sét đủ lớn để được loại bỏ bởi màng lọc. Tuy nhiên, vẫn cịn có những lo ngại về chất
lượng sau khi xử lý nên việc ứng dụng kỹ thuật này vẫn còn trong nghiên cứu.
7

2.2. Kỹ thuật lọc ultra (Ultrfiltration – UF)
2.2.1. Giới thiệu màng
UltraFiltration(UF) là một kỹ thuật lọc dùng màng áp suất thấp để loại bỏ những
phân tử có kích thuớc lớn ra khỏi nguồn nước. Dưới một áp suất không quá 2,5 bars,
nước, muối khoáng và các phân tử/ ion nhỏ hơn lỗ lọc (0.1- 0.005 micron) sẽ “chui” qua
màng dễ dàng. Các phân tử có lớn hơn, các loại virus, vi khuẩn sẽ bị giữ lại và xả thải ra
ngoài.
Màng lọc UltraFiltration được làm thành những ống nhỏ, đường kính ngồi
1,6mm. Một bộ lọc là một bó hàng ngàn ống nhỏ nên diện tích lọc rất lớn, giúp tăng lưu
lượng nước lên nhiều lần. Màng lọc này cũng có thể rửa ngược được và có tuổi thọ khá
cao, từ 3 – 5 năm.
2.2.2. Một số đặc điểm của kỹ thuật Ultrafiltration
 Quá trình lọc diễn ra ở nhiệt độ bình thường và áp suất thấp nên tiêu thụ ít điện
năng, cắt giảm chi phí hoạt động đáng kể.
 Kích thuớc của hệ thống gọn nhỏ, cấu trúc đơn giản nên khơng tốn mặt bằng lắp
đặt.
 Quy trình vận hành đơn giản, không cần nhiều nhân công.
 Cấu trúc và vật liệu màng lọc đồng nhất và sử dụng phương pháp lọc cơ học nên
khơng làm biến đổi tính chất hóa học của nguồn nước.
 Vật liệu của màng lọc không xâm nhập vào nguồn nước, đảm bảo độ tinh khiết
trong suốt quy trình xử lý

Hình 1: Quy trình lọc bằng màng UF

8


2.2.3. Nguyên lý hoạt động của màng lọc Ultrafiltration
Từ ngoài vào trong: Lớp lọc nằm bên ngồi màng. Dịng nước có chất ơ nhiễm
được đẩy vào từ bên ngồi màng lọc. Nước sạch sau lọc được thu ở bên trong màng lọc

Từ trong ra ngoài: Lớp lọc nằm bên trong màng. Dịng nước có chất ơ nhiễm được
châm vào từ bên trong màng lọc. Nước sạch sau lọc được thu ở bên ngồi màng lọc

Hình 2: Ngun lý hoạt động của màng UF
2.2.4. Ứng dụng của kỹ thuật lọc ultra
* Lọc nước biển, nước muối (thủy sản, hóa chất)
Để làm sạch nước biển mà vẫn giữ nồng độ muối, Màng UF có thể thay thế cho
tồn bộ quy trình phức tạp nhiều công đoạn: Nước biển -> Khử trùng -> Lọc thơ -> Lọc
cát -> Than hoạt tính -> Nước biển sạch.
* Lọc nước ép trái cây, nước trà xanh
Để loại bỏ những thành phần khơng có lợi trong nuớc ép trái cây, người ta thường
dùng men sinh học hoặc hóa chất để làm kết tủa chúng và gạn lấy phần nước trong nhưng
vẫn không thể giảm độ đục xuống dưới 2.0 NTU. Ứng dụng cơng nghệ màng có thể giảm
tối đa lượng enzyme và hóa chất, bảo đảm tính “thiên nhiên” của trái cây trong khi cải
thiện độ trong rõ rệt, độ đục lúc này chỉ còn 0,4 – 0,6 NTU. Ngoài ra, tuổi thọ của nước
ép cũng tăng đáng kể do toàn bộ vi khuẩn, virus đã bị màng UF loại bỏ.
*Thu hồi dầu/ mỡ và xử lý nước thải
Rất nhiều ngành công nghiệp sử dụng dầu để làm mát, bôi trơn và thường phải thải
bỏ sau một thời gian. Với màng UF, ta có thể dễ dàng tách được dầu từ nguồn nước thải
9


này. Kích thước của phân tử dầu đủ nhỏ để chui qua lỗ lọc nhưng sức căng bề mặt của nó
lại cản trở việc này (khi màng lọc đã bị ướt). Sau khi dùng màng UF, nước thải chỉ còn
chưa tới 10ppm dầu, phù hợp với quy định. Đặc biệt, có tới 30~60% lượng dầu được thu
hồi để tái sử dụng.
* Màng UF bảo vệ màng RO  
Lọc bảo vệ cho màng RO hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp truyền
thống, vì nước sau khi lọc màng UF đã gần như tinh khiết, khơng cịn vi khuẩn, cặn siêu
nhỏ. Màng RO lúc này được làm việc trong môi trường sạch hơn và sẽ có tuổi thọ cao

hơn.
2.3. Kỹ thuật lọc nano (Nanofiltration –NF)
2.3.1. Cơ sở lý luận khoa học của công nghệ nano
Công nghệ nano được dựa trên 3 định luật cơ bản sau:
- Tính chất lượng tử: Vật liệu vĩ mơ chứa rất nhiều ngun tử, 1 µm3 có khoảng
1012 nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa các ngun tử này và có thể
bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng đối với cấu trúc nano thì có ít ngun tử hơn
và các tính chất lượng tử được thể hiện rõ ràng hơn, ví dụ một chấm lượng tử (quantum
dot) có thể được coi như một đại nguyên tử với các mức năng lượng giống như một
nguyên tử.
- Hiệu ứng bề mặt: Vật liệu có kích thước nm, các số ngun tử nằm trên bề mặt
sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số ngun tử, vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề
mặt (hiệu ứng bề mặt) sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước
nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
- Kích thước tới hạn: Các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước, nếu vật liệu
mà nhỏ hơn giới hạn này thì tính chất của nó hồn tồn bị thay đổi. Người ta gọi đó là
“kích thước tới hạn”. Ví dụ, điện trở của một kim loại tn theo định luật Ohm ở kích
thước bình thường mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của kim loại đó xuống
nhỏ hơn “quãng đường tự do trung bình” của điện tử trong kim loại (thường từ vài nm
đến vài trăm nm) thì định luật Ohm khơng cịn đúng nữa, lúc đó điện trở của vật có kích
thước nano sẽ tuân theo các “quy tắc lượng tử”.
Tóm lại, khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc 13, các điện tử
khơng cịn di chuyển trong chất dẫn điện như “một dịng sơng”, mà biểu hiện ra ở dạng
“sóng”. Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tượng lượng tử mới và tạo cho vật chất có
thêm những đặc tính mới. Ví dụ, chấm lượng tử là một hạt vật chất có kich thuớc nhỏ tới
10


mức nếu bỏ thêm hay lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó, do sự hạn chế
về không gian của những điện tử và một lỗ trống trong vật chất được hình thành bởi sự

thiếu vắng một địên tử, hiệu ứng lượng tử sẽ được phát sinh và làm cho tính chất của vật
chất thay đổi theo và khi bị kích thích, chấm lượng tử sẽ phát sáng, kích thước càng nhỏ
thì năng lượng và cường độ phát sáng của nó càng tăng.
2.3.2. Chế tạo vật liệu nano
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống
(top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là
phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ
dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
2.3.2.1. Phương pháp từ trên xuống(top-down)
Nguyên lý: Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ
chức hạt thơ thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền
nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng
dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn
với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền
có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh).
Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được
là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng được sử dụng với
các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cự lớn (có thể >10) mà khơng làm phá huỷ
vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc
vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được
gọi là biến dạng nóng, cịn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là
các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra,
hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano.
2.3.2.2. Phương pháp từ dưới lên (bottom – up)
Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ
dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối
cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương
pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả
hai phương pháp hóa-lý.

11


* Phương pháp vật lý: Là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển
pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay
nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung
nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vơ định hình, xử lý nhiệt để
xảy ra chuyển pha vơ định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh). Phương
pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.
* Phương pháp hóa học: Là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương
pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải
thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các
phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp
kết tủa, sol-gel,...) và từ pha khí (nhiệt phân,...). Phương pháp này có thể tạo các hạt nano,
dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
* Phương pháp kết hợp: Là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc
vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,... Phương pháp này có thể tạo các
hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
2.3.3. Ứng dụng công nghệ nano vào công nghệ lọc nước
Những chất liệu lọc truyền thống như cát, sỏi, than củi hay cao cấp hơn như than
hoạt tính, chất liệu nhựa polypropylene… chỉ khử bỏ những chất bẩn thô, những hạt
huyền phù (suspended solids) và một phần nhỏ các hợp chất đã kết tủa như sắt, mangan… Màng lọc nano còn đảm trách thêm vai trò như rào cản vật lý, ngăn chặn các hạt và
vi sinh vật lớn hơn lỗ của màng lọc và loại bỏ có chọn lọc các chất ơ nhiễm.
Màng lọc Nano có kích thước lỗ lọc từ 0.1 đến 0.001 micron (nhỏ hơn kích thước
của các loại vi khuẩn, virus) nên màng có thể loại bỏ các tạp chất, hầu như chỉ cho nước
đi qua, đảm bảo cho nước sau khi lọc sẽ tuyệt đối an tồn, có thể uống trực tiếp (hình 3).

12

Ions đơn Inos đa
trị
trị
Virus Vi khuẩn

Nước

Huyền phù

Màng lọc
Micro

Màng lọc
Nano

Nước

Ions đơn
trị

Inos đa
trị

Virus Vi khuẩn

Huyền phù

( Hình 3: Sự khác biệt giữa 2 loại màng lọc: Màng lọc Micro và Màng lọc Nano)
Vật liệu nano lọc được nước địi hỏi 2 tính chất rất quan trọng: vật liệu phải sạch
đồng thời không gây ra bất kỳ một phản ứng hóa học nào khi có nước chảy qua.

Trong trường hợp nguồn nước có chứa Asen với nồng độ trên mức cho phép (>5
ppm) thì ngồi phương thức thức sử dụng màng lọc nano kể trên còn kết hợp với những
phương pháp lọc cổ điển khác như cho asen kết tụ với muối sắt hay oxyt silic hoặc dùng
Al2O3 để hoạt hóa… Nhưng để đạt được kết quả tối ưu - giảm lượng asen xuống dưới
mức cho phép - công nghệ nano là một giải pháp hoàn hảo.
2.4. Kỹ thuật thẩm thấu ngược (Reverse osmosis – RO) [3]
2.4.1. Hiện tượng thẩm thấu
Khi cho dung dịch tiếp xúc với dung môi qua một màng bán thấm (màng bán thấm
chỉ cho dung môi đi qua, không cho chất tan đi qua) mực nước ở dung dịch sẽ tăng lên
cao hơn mực dung môi đến một lúc nào đó hiện tượng thẩm thấu dừng lại. Khi đó hệ đạt
đến trạng thái cân bằng: trong một đơn vị thời gian có bao nhiêu phân tử dung mơi
chuyển từ dung mơi sang dung dịch thì cũng có bấy nhiêu phân tử dung môi từ dung dịch
sang dung môi.
Màng
bán thấm

Pdd
h

dd

dm
13


Tại thời điểm cân bằng ta có:
Pdung dịch + áp suất cột dung dịch cao h = Pdung môi
* Vậy áp suất thẩm thấu là áp suất cần đặt lên dung dịch để hiện tượng thẩm thấu dừng
lại.
- Hiện tượng thẩm thấu cũng xảy ra khi 2 dung dịch có nồng độ khác nhau tiếp xúc qua

màng bán thấm
π = CRT hoặc π = ∆ CRT
- Đối với dung dịch chất điện ly:
π = i CRT hoặc π = i ∆ CRT
2.4.2. Kỹ thuật thẩm thấu ngược
Khi cho dung dịch nước thải tiếp xúc với nước sạch qua màng bán thấm, nhưng để
các phân tử nước chuyển dịch theo chiều ngược lại từ dung dịch nước thải sang nước
sạch. Kết quả các tạp chất trong nước thải được màng ngăn giữ lại cịn phía kia của màng
sẽ là nước sạch. Muốn làm được điều này cần đặt lên dung dịch nước thải một áp suất lớn
hơn nhiều so với áp suất thẩm thấu. Khi đó các phân tử nước sẽ đi ngược lại từ nước thải
sang nước sạch và ta sẽ tách được tạp chất và thu được nước sạch.
Trong kỹ thuật thẩm thấu ngược, thường áp suất đặt vào cao khoảng 10 atm ÷ 100
atm, phương pháp này giữ được các phân tử ion chất tan có đường kính từ 10 -6 cm ÷ 10-7
cm.
2.4.3. Những điều cần lưu ý khi sử dụng kỹ thuật thẩm thấu ngược
- Để thời gian sống của màng bán thấm được lâu cần phải tinh chế sơ bộ nước thải
trước khi dùng phương pháp thẩm thấu ngược. (lọc ultra)
- Điều chỉnh giá trị pH để tránh được hiện tượng kết tủa khi pH thay đổi (ví dụ kết
tủa hiđroxit kim loại) làm bít màng, ngăn cản sự chuyển dịch của các phân tử dung môi.
- Tách trước các tạp chất ở dạng huyền phù, các phân tử hữu cơ lớn, dạng keo.
- Khử vi sinh (thường dùng NaOCl)
- Khử các chất có khả năng oxi hóa màng
- Nhiệt độ tối đa 40-45oC

14


2.4.4. Ứng dụng của kỹ thuật RO
- Điều chế nước sạch
- Tách NaCl từ nước biển thành nước ngọt

- Tách các ion độc hại từ nước thải
2.5. Kỹ thuật điện thẩm tách ED (Electro Dialysis) [3]
2.5.1. Cơ sở của kỹ thuật điện thẩm tách
* Cấu tạo của thiết bị ED
- Máy gồm hai điện cực (thường là Ti mạ Pt), giữa hai điện cực người ta đặt liên
tiếp các màng trao đổi cation (chỉ cho canion đi qua) và các màng trao đổi anion (chỉ cho
anion đi qua). Trong thực tế 1 máy có thể có 300 – 500 cặp màng trao đổi.
* Nguyên lý hoạt động
- Khi cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch nước, các ion (cation, anion)
chuyển về phía các điện cực trái dấu qua các màng trao đổi ion. Tại đây, các ion có thể đi
qua hay bị giữ lại tạo ra hàng rào ngăn cách giữa những khoang tách muối (nước sạch) và
các khoang thu muối (có nồng độ muối, tạp chất cao). Từ các khoang nước sạch ta có thể
thu được nước đã xử lý, từ các khoang thu muối, muối được gộp lại, loại ra.

─

+
1

2

Na+

Na+

3
Na+

4

5

Na+

Na+
Na+

ClH2

6

Cl-

Cl-

Cl2
OH-

H+
C

A

A

C

15

C

Trong đó:

2,4: Khoang tách nước (nước sạch)
3,5: Khoang tách muối

2.5.2. Cấu tạo và tính chất của màng trao đổi ion
a) Cấu tạo: Màng trao đổi ion là loại màng rất mỏng (≈ 0.5 mm) được cấu tạo
tương tự nhựa trao đổi ion, nhưng rất mỏng, gồm khung polyme tổng hợp (polystiren)
được gắn với các nhóm chức mang điện tích, đối với màng trao đổi cation là nhóm
sunfonat (- SO3─ ) và đối với màng trao đổi ion là nhóm amin bậc 4 (-N +R3). Các nhóm
mang điện này có tác dụng đẩy các ion cùng dấu và hút các ion cùng dấu đi qua màng.
b) Tính chất của màng trao đổi ion
- Màng mỏng (≈ 0.5 mm)
- Không tan trong nước, khơng thấm nước ngay cả khi có áp suất cao
- Bền ở nhiệt độ dưới 45 ÷ 46oC
- Khơng bị thay đổi khi pH thay đổi trong khoảng (pH: 0 ÷ 10)
- Có thể tái sử dụng lại đượckhi đã dùng với các dung dịch muối có nồng độ cao
200 ÷ 30000 ppm
2.5.3. Ứng dụng và những điều cần lưu ý khi sử dụng ED
a) Ứng dụng
- Làm ngọt nước biển
- Làm sạch nước
- Xử lý nước cấp cho nồi hơi công nghiệp
- Tách, chế biến sữa, xử lý nước thải công nghiệp
b) Chú ý
- Khi hoạt động lâu: nồng độ tạp chất trong khoang thu muối tăng lên gây hiện
tượng kết tủa trên màng: CaSO4, CaCO3,... bít lỗ trên màng tăng điện trở, cản trở sự di
chuyển của các ion về các điện cực.

- Sự tăng nồng của tạp chất làm tăng sự phân cực nồng độ ảnh hưởng đến quá
trình điện phân.
- Trong dung dịch nước do sự phóng điện của H+ (H2O)
16


2H2O + 2e → H2 ↑ + 2OH─
Lúc này trong dung dịch sẽ dư OH ─ pH tăng dần dẫn đến một số phản ứng hóa học
(kết tủa các hidroxit kim loại, cacbonat,...) cần chú ý kiểm tra pH, giữ pH ổn định.
2.5.4. Kỹ thuật điện thẩm tách đảo chiều EDR (Electro Dialysis Reversal)
Để tránh các nhược điểm trên của phương pháp ED, người ta đã cải tiến phương
pháp này bằng cách liên tục đảo chiều của dòng điện bên ngồi. Đó chính là điện thẩm
tách đảo chiều EDR.
Trên phương pháp EDR, cùng với sự thay đổi liên tục chiều dịng điện bên ngồi
làm cho hướng chuyển động của các cation và các anion trong dung dịch cũng bị thay đổi
liên tục. Vì vậy các hiện tượng như sự tích tụ muối trên bề mặt màng, sự phân cực nồng
độ, sự kết tủa làm bít các lỗ màng sẽ được giảm đi nhiều.
Có thể nói phương pháp EDR là một bước cải tiến, hoàn chỉnh của phương pháp
ED. Hiện nay phương pháp EDR đang được ứng dụng rộng rãi trong việc làm sạch, làm
ngọt nước,...

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT OXI HÓA TĂNG CƯỜNG
(Advanced Oxidation Processes- AOPs)
17


Một trong những công nghệ cao nổi lên trong thời gian gần đây là cơng nghệ phân
hủy khống chất ơ nhiễm hữu cơ trong nước và nước thải dựa trên các q trình oxi hóa
nâng cao. Q trình oxi hóa nâng cao được định nghĩa là “những quá trình phân hủy oxi
hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được tạo ra ngay trong quá trình xử lý” .

Gốc hydroxyl là một tác nhân oxy hóa mạnh nhất trong số các tác nhân oxy hóa được biết
từ trước đến nay, với thế oxy hóa 2,8V, chỉ đứng sau Flo (3,03V), nó khó khả năng phân
hủy oxi hóa khơng chọn lựa mọi hợp chất hữu cơ dù là khó phân hủy biến thành các hợp
chất vô cơ không độc hại như: CO 2, H2O, các axit vô cơ... Với những tác nhân oxy hóa
khác nhau (bảng 1) để tạo ra gốc hydroxyl, thực hiện q trình oxy hóa gián tiếp thơng
qua gốc hydroxyl vì vậy các q trình này gọi là các quá trình nâng cao hay các quá trình
oxi hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs)
Bảng1 : Một số hệ phản ứng tạo ra gốc OH˙
Tác nhân

Ưu điểm

Nhược điểm

H2O2 +
Fe2+/ Fe/Fe3+

- Quy trình thiết kế đơn giản

- Lượng sắt dư là nguồn gây ơ
nhiễm

- Hóa chất rẻ, phổ biến
- Hiệu quả phân hủy cao

TiO2/ UV

- Tốc độ xử lý tương đối cao
- Chỉ cần một lượng nhỏ
cũng cho hiệu quả xử lý cao

- Kích cỡ xúc tác bé, địi hỏi một
q trình li tâm phân tách tốn
kém

- Khống hóa hồn tồn các
chất hữu cơ
- Khả năng tái sinh xúc tác
H2O2 / UV

- Khả năng tạo gốc hoạt
động lớn: Một phân tử H2O2
tạo ra hai gốc OH˙

- Chi phí tốn kém
- Cường độ chiếu sáng UV phải
chọn lọc
- Tốc độ xử lý ô nhiễm không
cao

O3/ UV

- Khả năng phản ứng cao

- Giá thành cao

- Loại trừ đồng thời chất hữu

- Sự hòa tan của O3 thấp và thời

18


cơ và vi trùng

gian tồn tại ngắn

Các quá trình oxi hóa nâng cao đã nổi lên trong những năm gần đây như là một
cơng nghệ cao có tầm quan trọng trong việc thúc đầy mạnh q trình oxi hóa, giúp phân
hủy nhiều loại hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước như: trihalometan THM,
triclometan, benzen, toluen, nitrophenol, các hóa chất bảo vệ thực vật, dioxin và furan,
thuốc nhuộm, các chất bảo vệ thực vật.
Ngoài ra, do tác dụng oxy hóa cực mạnh của chúng so với các tác nhân diệt khuẩn
truyền thống (các hợp chất của clo) nên gốc hydroxyl ngồi khả năng tiêu diệt các vi
khuẩn thơng thường như: Eschrichia coli, coliform, còn diệt được các loại tế bào vi khuẩn
và virut gây bệnh mà không thể tiêu diệt nổi như Campylobacter, Legionella,... mặt khác
khử trùng bằng gốc hydroxyl lại rất an toàn so với khử trùng bằng clo vì khơng tạo ra các
sản phẩm phụ gây ung thư như các chất hữu cơ Trihalometan (THM).
Theo Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (US Evironmental Protection Agency –
USEPA), dựa theo đặc tính của q trình có hay khơng có sử dụng nguồn năng lượng bức
xạ UV có thể phân loại các q trình oxi hóa nâng cao thành hai nhóm như sau (Bảng 2):
- Nhóm các q trình oxi hóa nâng cao khơng sử dụng tác nhân ánh sáng
(Advanced Non – Photochemical Oxidation Processes – ANPOs)
- Nhóm các q trình oxi hóa nâng cao sử dụng tác nhân ánh sáng (Advanced
Photochemical Oxidation Processes – APOs).

Bảng2: Phân loại các q trình oxy hóa nâng cao
ANPO

- H2O2/Fe2+

- Hệ Fenton

- H2O2/Fe3+

- Hệ kiểu Fenton

- H2O2/Fe3+-Oxalat
- Mn2+/Axit oxalic/O3
- O3/H2O2

- Peroxone
19


- O3/H2O2 (xúc tác)

- Catazone

- Điện hoá
- Siêu âm
Bức xạ năng lượng cao
-H2O2/Fe2+(Fe3+)/UV

- Photo-Fenton

- UV/H2O2/Fe3+-Oxalat
-TiO2/h/H2O2 (TiO2/h/O2)
APO

- O3/UV

-Xúc tác quang hoá

- H2O2/UV

- Calgon PeroxPure và Rayox

- Tia  hoặc 
3.1 Các kỹ thuật oxy hóa nâng cao khơng nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced
Non Photochemical Oxidation Processes-ANPOS) [1]
3.1.1. Quá trình Fenton
Quá trình này được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1894 của tác giả J.H.Fenton,
khi ông quan sát thấy phản ứng oxy hóa axit malic bằng hydroden peroxit đã được tăng
mạnh khi có mặt ion sắt. Sau đó, tổ hợp H 2O2 và muối Fe2+ được sử dụng làm tác nhân
oxy hóa rất hiệu quả cho nhiều đối tượng rộng rãi các chất hữu cơ và được mang tên “tác
nhân Fenton”.
Q trình Fenton nói chung có hiệu quả cao trong khoảng pH 2-4, cao nhất ở pH
khoảng 2,8 (Pignatello, J.J.1992). Do đó trong điều kiện xử lý nước thường gặp (pH 5-9)
q trình xảy ra khơng hiệu quả. Đã có nhiều nghiên cứu về các dạng cải tiến của phương
pháp Fenton để tránh được pH thấp như quá trình photon-Fenton, Fenton điện hóa …
Ngồi ra cịn phát sinh một vấn đề là cần tách ion sắt sau xử lý. Những nghiên cứu về quá
20