Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG
KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG



VÕ THỊ THANH TRANG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
TRONG NƯỚC THẢI
BẰNG HỆ XÚC TÁC QUANG HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

An Giang, 05/2011


TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG
KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG



VÕ THỊ THANH TRANG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
TRONG NƯỚC THẢI
BẰNG HỆ XÚC TÁC QUANG HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.s Nguyễn Trung Thành

An Giang, 04/2011


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN


............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
............................................................................................................
Long Xuyên, 09/06/2011
Ký xác nhận của giảng viên hướng dẫn

Th.S Nguyễn Trung Thành

Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

LỜI MỞ ĐẦU
Nước thải là một trong những vấn đề gây ô nhiễm môi trường nhiều nhất hiện nay.
Các hoạt động của con người luôn gắn liền với nhu cầu sử dụng nước cho các mục
đích khác nhau: đời sống sinh hoạt hằng ngày, cho nhu cầu sản xuất công nghiệp,
cho nông nghiệp… và thành phần nước thải cũng ngày càng phức tạp hơn.
Ngày nay các quá trình oxi hóa nâng cao đã trở thành một giải pháp không thể thiếu
bên cạnh các biện pháp xử lý truyền thống để xử lý chất ô nhiễm độc hại, khó hoặc
không thể phân hủy sinh học. Trong những năm gần đây việc sử dụng chất xúc tác
TiO2 trong các quá trình quang hóa để xử lý môi trường. đặc biệt là xử lý các chất ô
nhiễm đã có bước phát triển đáng kể với việc sử dụng các nguồn ánh sáng khác
nhau như UV nhân tạo hoặc tự nhiên.
Do điều kiện khí hậu của nước ta, nguồn ánh sáng dồi dào nên rất thuận lợi khi áp
dụng phương pháp xúc tác quang nhằm hỗ trợ cho các quá trình xử lý truyền thống.
Mặt khác chất hoạt động bề mặt tuy không gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường
nhưng việc thải những chất hoạt động bề mặt ra môi trường, chất này sẽ tạo một lớp
màng làm cho oxi trong không khí không khuếch tán vào trong nước gây khó khăn
cho việc xử lý
Trong đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt, một chất
được sử dụng nhiều trong đời sống sinh hoạt hằng ngày, bằng hệ xúc tác quang học.

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
i  

                                                                                           

Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

LỜI CÁM ƠN
Qua bốn năm học tập ở giảng đường đại học em đã tiếp thu được rất nhiều kiến
thức từ các Thầy – Cô khoa Kỹ Thuật Công Nghệ Môi Trường, bộ môn Môi
Trường & Phát Triển Bền Vững. Em xin gửi lời cám ơn đến quý Thầy Cô đã tận
tình chỉ bảo, giúp đỡ cho chúng em những kiến thức chuyên ngành đến những kinh
nghiệm sống trong xã hội
Em xin gửi lời cám ơn đến thầy Trương Kiến Thọ đã cung cấp một số tài liệu để em
tham khảo trong quá trình làm khóa luận
Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Ths.Nguyễn Trung Thành là người trực tiếp
hướng dẫn và truyền đạt rất nhiều kiến thức chuyên môn, tận tình hướng dẫn chỉ
bảo cho em những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp
Vì vốn kiến thức còn hạn chế, nên luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu
sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô
Một lần nữa em xin chân thành cám ơn!
Chúc thầy cô sức khỏe, hạnh phúc !!!
Tháng 4/2011
SV Võ Thị Thanh Trang

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
ii  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ i
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................iii
DANH SÁCH HÌNH................................................................................................. v
DANH SÁCH BẢNG............................................................................................... vi
DANH SÁCH BIỂU ĐỒ ........................................................................................ vii
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1
CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ................................................................ 3
2.1. Chất hoạt động bề mặt (CHĐBM)....................................................................... 3
2.2. Các phương pháp xử lý CHĐBM........................................................................ 4
2.2.1. Phương pháp keo tụ .................................................................................... 4
2.2.2. Phương pháp oxi hóa bằng hệ fenton.......................................................... 5
2.3 Phương pháp oxi hóa bằng các quá trình oxi hóa nâng cao ................................. 5
2.3.1 Tổng quan về quá trình oxi hóa nâng cao trong nước thải .......................... 5
2.3.2 Những ưu việt của quá trình phân hủy oxi hóa bằng gốc tự do Hyroxyl
(*OH) .................................................................................................................... 7
2.3.3 Các quá trình tạo ra gốc Hydroxyl (*OH) ................................................. 11
2.3.4 Sơ lược về TiO2......................................................................................... 12
2.3.5 Các quá trình quang xúc tác bán dẫn ......................................................... 15
2.3.6 Thành tựu .................................................................................................. 21
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 22
3.1 Đối tượng nghiên cứu......................................................................................... 22
3.2 Thời gian nghiên cứu.......................................................................................... 22
3.3 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 22
3.4 Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 22
3.5 Phương tiện và vật liệu nghiên cứu .................................................................... 23
3.6 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 23
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
iii  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

3.6.1 Rửa chất mang ........................................................................................... 23
3.6.2 Tổng hợp chất xúc tác:.............................................................................. 25
3.6.3 Khả năng xử lý COD của chất xúc tác TiO2 .............................................. 26
3.6.4 Khả năng xử lý COD của TiO2/ H2O2: ...................................................... 26
3.6.5 Phương pháp xác định COD: ..................................................................... 27
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THẢO LUẬN ............................................................... 28
4.1 Khả năng xử lý chất hoạt động bề mặt có trong nước tẩy rửa của chất xúc tác
TiO2 .......................................................................................................................... 28
4.2 Khả năng xử lý chất hoạt động bề mặt có trong nước tẩy rửa của chất xúc tác
TiO2 + H2O2:............................................................................................................. 31
4.3 Khả năng triển khai ứng dụng của kết quả nghiên cứu ...................................... 34
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ............................................................... 35
5.1 Kết luận: ............................................................................................................. 35
5.2 Kiến nghị: ........................................................................................................... 36
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 40

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
iv  

                                                                                           

Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

DANH SÁCH HÌNH
-

Hình 2.1: Cấu tao chất hoạt động bề mặt
Hình 2.2: Hình dạng cầu và hình phẳng của cụm chất hoạt động bề mặt
Hình 2.3: TiO2 dạng bột
Hình 3.1: Quá trình rửa chất mang
Hình 3.2: Quá trình tổng hợp chất xúc tác
Hình 3.3: Thiết bị thực hiện phản ứng

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
v  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

DANH SÁCH BẢNG
-

Bảng 2.1: Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa
Bảng 2.2: Các hợp chất hữu cơ bị oxy hóa bởi gốc Hydroxyl (*OH) đã được
nghiên cứu
Bảng 2.3: Hằng số tốc độ phản ứng (M-1S-1) của gốc Hydroxyl (*OH) so ới
Ozon.
Bảng 2.4: Các quá trình oxy hóa nâng cao dựa vào gốc Hydroxit(*OH)

Bảng 2.5: Công thức hóa học các khoáng vật quan trọng của TiO2
Bảng 2.6: Công thức hóa học các khoáng vật quan trọng của TiO2
Bảng 2.7: Thời gian đặc trưng của một số phản ứng quang hoá
Bảng 3.1: Thiết bị và dụng cụ
Bảng 4.1: Ký hiệu mẫu chất xúc tác
Bảng 4.2: kết quả thí nghiệm xử lý COD (mg/l)
Bảng 4.3: kết quả xử lý COD (mg/l) của TiO2 + H2O2

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
vi  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

DANH SÁCH BIỂU ĐỒ
-

Biểu đồ 4.1: Khả năng xử lý COD phụ thuộc vào nồng độ chất phụ gia
Biểu đồ 4.2: Hiệu suất xử lý COD của TiO2 và chất phụ gia
Biểu đồ 4.3: Khả năng xử lý COD của TiO2 + H2O2
Biểu đồ 4.4: Hiệu suất xử lý của hệ TiO2 + H2O2

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
vii  

                                                                                           

Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
Các chất thải độc hại và các chất thải không có khả năng phân hủy sinh học có
nguồn gốc nhân tạo đã và đang gây ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng.
Các chất độc hại này có thể hóa hơi và đi vào tầng khí quyển và phá hủy tầng ozone
(các chất nguy hiểm đó có thể là các thuốc bảo vệ thực vật, các hóa chất có chứa các
nguyên tố halogen…) làm mất cân bằng hệ sinh thái trên toàn cầu; ô nhiễm đất;
nguồn nước tự nhiên; làm cạn kiệt nguồn nước sạch…Ngoài ra, các hợp chất chứa
các nguyên tố halogen; khi chúng tồn tại lâu dài dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời
thì chúng cũng là một trong những chất có khả năng gây nhiễm độc dioxin cho
người.
Trong các thập kỉ qua, bên cạnh các quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp
sinh – lý- hóa học thì việc áp dụng các quá trình oxi hóa nâng cao trong quá trình xử
lý nước thải càng trở nên càng quan trọng hơn. Trong nhiều quá trình, rất nhiều gốc
hoạt tính được tạo ra với mục đích oxi hóa (trực tiếp hoặc thông qua các phản ứng
của oxi hòa tan) các chất ô nhiễm có nguồn gốc hữu cơ; các quá trình này được thực
hiện dưới hình thức đồng thể và cả dị thể. Những nghiên cứu gần đây, các oxit kim
loại bán dẫn có hoạt tính quang học thường được dùng; trong một quá trình đồng
thể, quá trình tạo các gốc hydroxyl là một bước then chốt trong quá trình xử lý này.
Việc áp dụng năng lượng của ánh sáng trong vùng nhìn thấy và tử ngoại trong quá
trình xử lý môi trường mang tính thân thiện có thể thực hiện; nhất là có thể xử lý
nước thải với giá thành thấp và mang tính khả thi trong điều kiện thực tế tại Việt
Nam.
Việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt ngày nay càng trở nên phổ biến từ công
nghiệp cho đến gia đình. Điều này cũng kéo theo là môi trường phải chịu ảnh hưởng
lớn bởi một lượng chất hoạt động bề mặt (bao gồm cả chất hoạt động bề mặt ion và

chất hoạt động bề mặt không ion) tuy nhiên các chất ô nhiễm dạng này được xem là
một dạng ô nhiễm khó xử lý so với các chất ô nhiễm khác và hiệu quả xử lý phụ
thuộc rất nhiều vào cấu tạo của chúng. Riêng với chất hoạt động có ion thì quá trình
xử lý cũng đơn giản hơn so với chất hoạt động không ion. Ở Việt Nam, thì việc sử
dụng chất hoạt động bề mặt có ion là phổ biết nhất; trong các phẩm tẩy rửa gia đình,
công nghiệp xi mạ, thực phẩm, …
Do đó, việc “Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ
xúc tác quang học” là rất cần thiết và mang tính khả thi cao.
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
1  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng xúc tác quang học trên cơ bản là
TiO2 cùng với phụ gia để mở rộng “band gap” sang vùng nhìn thấy (visible range)
với mục đích tận dụng nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời dồi dào (đặc điểm nổi
bậc của địa lý Việt nam) từ đó có thể nâng cao tính ứng dụng đề tài này vào thực tế
tại Việt Nam.

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
2  

                                                                                           

Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

CHƯƠNG 2
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1. Chất hoạt động bề mặt (CHĐBM)
Theo Wikipedia; chất hoạt động bề mặt (surfactant hay surface active agent) là một
chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. xét về mặt
cấu trúc thì chúng là những phân tử có cấu trúc phân cực; gồm một phần ưa nước và
phần còn lại là kị nước; được mô phỏng như hình 1.1 bên dưới.
(b)

(a)

Phần ưa nước
Phần kị nước
Hình 2.1. Hình dạng (mô phỏng) (a) và cấu tạo (b) của chất hoạt động bề mặt.
Xét về mặt đặc điểm của CHĐBM thì chúng là những chất được dùng để làm giảm
sức căng bề mặt của một chất lỏng bằng cách làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt
tiếp xúc của hai chất lỏng. Khi hòa tan CHĐBM vào một dung môi thì các phân tử
CHĐBM có khuynh hướng kết tụ lại với nhau (micelle keo) và nồng độ mà tại đó
các phân tử này bắt đầu kết tụ được gọi là “nồng độ kết tụ tới hạn” ; và tùy thuộc
vào loại dung môi thì cấu trúc của micelle keo là khác nhau; cụ thể là:
• Dung môi phân cực (lấy ví dụ là nước) thì phần kị nước của CHĐBM sẽ co
cụm lại với nhau và phần ưa nước sẽ phô ra ngoài và tạo thành những hình
dạng khác nhau như hình cầu; hình trụ hoặc tạo màng. (như được thể hiện
trong hình 1.2.).
•

Dung môi không phân cực thì quá trình thì ngược lại với quá trình hòa tan
CHĐBM trong dung môi phân cực.

(a)

(b)

Hình 2.2. Dạng hình cầu (a) và dạng mặt phẳng của cụm CHĐBM.
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
3  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

Xét về mặt lý thuyết; thì tính ưa và kị nước được đặc trưng bởi một thông số; đó là
“ độ cân bằng ưa kị nước” (Hydrophilic Lipophilic Balance –HLB) đối với các
CHĐBM thông thường thì giá trị này nằm trong khoảng từ 0 đến 40. Khi giá trị
HLB càng cao thì khả năng hòa tan của CHĐBM trong môi trường phân cực càng
lớn và ngược lại.
Dựa vào tính chất điện của đầu phân cực của phân tử CHĐBM có thể chia chúng
thành một số loại như sau:
• CHĐBM có ion: phần đầu phân cực bị ion hóa.
¾ CHĐBM ion dương: khi bị phân cực thì phần đầu phân cực mang điện
tích dương; như: cetyl trimetylamoni bromide (CTAB); Cetyl
pyridinium clorua (CPC); Polyethoxylated tallow amin (POEA);…
¾ CHĐBM ion âm: khi bị phân cực thì phần đầu phân cực mang điện
tích âm; như: Natri dodecyl sulfat (SDS); amoni lauryl sulfat; xà
phòng và muối của các axit béo…
• CHĐBM không ion: đầu phân cực không bị ion hóa, ví dụ: Ankyl
poly(êtylen oxit); octyl glucozit …

• CHĐBM lưỡng cực: khi bị phân cực thì đầu phân cực có thể mang điện âm
hoặc mang điện dương tùy vào pH của dung môi, ví dụ: Dodecyl
đimêtylamin ôxít.
Các CHĐBM được ứng dụng rất nhiều trong đời sống hằng ngày như: bột giặt; sơn;
nhuộm (làm mềm vải sợi, chất trợ nhuộm). Ngoài ra, CHĐBM còn dùng trong một
số lĩnh vực khác như: thực phẩm (chất nhũ hóa cho bánh kẹo, đồ hộp…); mỹ phẩm
(chất nhũ hóa, chất tạo bọt, chất tẩy rửa); nông nghiệp (chất gia công để chế tạo
thuốc bảo vệ thực vật); xây dựng (chất nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng
rắn của bê tông); khoáng sản (chất tuyển nổi,…)…
2.2. Các phương pháp xử lý CHĐBM
Để xử lý nước thải nhiễm CHĐBM thường có 2 hướng chính: (1) keo tụ chúng và
sau đó tách chúng ra khỏi dung dịch; (2) vô cơ hóa chúng bằng quá trình oxi hóa.
thực tế có một số phương pháp dựa vào hai hướng chính trên và các phương pháp
đó là:
2.2.1. Phương pháp keo tụ
Thực tế phương pháp này là phương pháp kết hợp giữa phương pháp hoá học và lý
học. Mục đích của phương pháp này nhằm loại bỏ các hạt chất rắn khó lắng hay cải
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
4  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

thiện hiệu suất lắng của bể lắng. Cấu tạo của bể này là loại bể lắng cơ học thông
thường, nhưng trong quá trình vận hành, chúng ta thêm vào một số chất keo tụ như
phèn nhôm, polymer để tạo điều kiện cho quá trình keo tụ và tạo bông cặn để cải
thiện hiệu suất lắng. Các chất thường dùng cho quá trình keo tụ là muối sắt và muối

nhôm.
2.2.2. Phương pháp oxi hóa bằng hệ fenton
Năm 1894 trong tạp chí của hội hóa học Mỹ đã công bố công trình nghiên cứu của
J.H.Fenton (Trần Mạnh Trí, 2006), trong đó ông quan sát thấy phản ứng oxy hóa
acid maleic bằng Hydrogen peroxit đã được gia tăng mạnh khi có mặt các ion sắt.
Sau đó tổ hợp H2O2 với muối sắt Fe2+ được sử dụng làm tác nhân oxy hóa hiệu quả
cho nhiều đối tượng rộng rãi các chất hữu cơ và mang tên là “tác nhân fenton”.
Những năm sau hệ xúc tác Fenton cổ điển (H2O2/Fe2+) mà còn sử dụng rộng rãi
nhiều kim loại khác chuyển tiếp và các phức chất của chúng như Fe(II), Fe(III),
Cu(I), Cr(II), và Ti(III) tác dụng với H2O2 để tạo ra gốc *OH được gọi chung là tác
nhân kiểu như Fenton
Quá trình Feton dạng cổ điển nói chung có hiệu quả cao trong khoảng pH 2 – 4, cao
nhất ở pH (2,8). Do đó, trong điều kiện xử lý nước thường gặp (pH = 5 – 9 ), quá
trình xảy ra không hiệu quả. Nguyên nhân vì các ion Fe2+ có xu hướng tạo thành kết
tủa Feric oxyhydroxit hoạt tính rất thấp. Vì vậy, cần thiết phải điều chỉnh pH môi
trường về khoảng thích hợp khi ứng dụng vào thực tế. Tuy nhiên, vẫn không tránh
khỏi vấn đề phải tách các ion sắt ra sau khi xử lý
Quá trình Fenton có ưu việt ở chỗ các tác nhân H2O2 và muối sắt tương đối rẻ tiền
và có sẵn, đồng thời không độc hại, dễ vận chuyển, dễ sử dụng, trong khi đó hiệu
quả xử lý oxi hóa cao hơn nhiều so với H2O2 sử dụng một mình. Áp dụng quá trình
Fenton để xử lý nước và nước thải có thể dẫn đến khoáng hóa hoàn toàn các chất
hữu cơ thành CO2, H2O và các ion vô cơ khác. Tuy nhiên, trong điều kiện đó phải
sử dụng rất nhiều hóa chất làm cho chi phí xử lý cao. Do vậy, trong điều kiện đó
phải sử dụng quá trình Fenton để phân hủy từng phần, chuyển các chất hữu cơ
không thể phân hủy hoặc khó phân hủy sinh học thành chất mới có khả năng phân
hủy sinh học nhằm có thể áp dụng thuận lợi quá trình xử lý sinh học tiếp sau
2.3 Phương pháp oxi hóa bằng các quá trình oxi hóa nâng cao
2.3.1 Tổng quan về quá trình oxi hóa nâng cao trong nước thải
Một trong những công nghệ cao nổi lên gần đây là công nghệ phân hủy khoáng hóa
chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và nước thải dựa vào quá trình oxi hóa nâng cao.

Quá trình oxi hóa nâng cao được định nghĩa là những quá trình phân hủy oxi hóa
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
5  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được tao ra ngay trong quá trình xử lý.
Gốc hydroxyl là tác nhân oxi hóa mạnh nhất trong số các tác nhân oxi hóa được biết
từ trước đến nay, có khả năng phân hủy oxi hóa mọi hợp chất hữu cơ, dù là loại khó
phân hủy nhất, chuyển hóa chúng thành các hợp chất vô cơ không độc hại như CO2,
H2O, các axit vô cơ. Từ những tác nhân oxi hóa thông thường như hydrogen
peroxit, ozon…có thể nâng cao khả năng oxi hóa của chúng bằng các phản ứng hóa
học khác nhau để tạo ra các gốc hydroxyl, thực hiện quá trình oxy hóa gián tiếp
thông qua gốc hydroxyl
Các quá trình oxy hóa nâng cao đã nổi lên trong những năm gần đây như một loại
công nghệ cao có tầm quan trọng trong việc đẩy mạnh quá trình oxy hóa, giúp phân
hủy nhiều loại chất hữu cơ ô nhiễm khác nhau trong nước, đặc biệt là các chất ô
nhiễm hữu cơ khó phân hủy như những hợp chất chứa Clo, các hợp chất có vòng
thơm, các hợp chất bảo vệ thực vật, thuốc nhuộm, các chất hoạt động bề mặt,…
Gần đây, các quá trình oxy hóa nâng cao được nghiên cứu nhiều và ứng dụng rất
nhiều trong lĩnh vực xử lý nước thải.
Những hạn chế của quá trình oxy hóa hóa học bằng tác nhân thông thường:
a. Khí Clo (Cl2)
Clo là chất oxy hóa hóa học tốt được sử dụng để khử Fe2+ trong nước ngầm
hoặc nước mặt, trong khử trùng nước sau khi xử lý. Vì Clo là chất oxy hóa mạnh, rẻ
tiền và dễ sử dụng nên được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực xử lý nước, nước thải

cho đến ngày nay. Tuy vậy nhược điểm của Clo là tác dụng với chất hữu cơ thiên
nhiên, tạo ra hợp chất hữu cơ chứa Clo có nguy cơ gây ung thư cho người sử dụng
(Trần Mạnh Trí, 2006)
b. Kali permanganat (KMnO4)
Kali permanganate là chất oxi hóa được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước.
Đây là chất oxi hóa mạnh hơn clo, có thể làm việc trong khoảng pH rộng, nhưng đắt
tiền. Thêm vào đó, quá trình này tạo ra Mangan dioxit ở dạng không tan và phải
tách ra bằng phương pháp hóa học hoặc lắng; vì vậy khả năng tăng thêm chi phí cho
quá trình xử lý là điều không thể tránh khỏi.
c. Hydrogen peroxit (H2O2)
Hydrogen peroxit là chất oxi hóa mạnh hơn clo và kali permanganat nhưng
yếu hơn Ozon (O3) và được sử dụng rất phổ biến trong xử lý nước thải để phân hủy
các chất hữu cơ và khử màu của nước thải ngành giấy hoặc dệt nhuộm. Ngoài ra, ưu
điểm của Hydrozen peroxit là không sinh ra chất độc hoặc chất có màu trong quá
trình sử dụng. Tuy nhiên, khả năng oxi hóa của hydrozen oxit không đủ mạnh để
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
6  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

khoáng hóa hòan tòan chất ô nhiễm hữu cơ như yêu cầu đã đặt ra (Trần Mạnh
Trí,2006)
d. Ozon (O3)
Ozon là chất oxi hóa mạnh nhất trong các chất oxi hóa thông dụng kể trên.
Nó được sử dụng làm chất khử trùng, phân hủy các chất hữu cơ hoặc để khử màu
nước thải, khử mùi hôi, khử sắt hoặc mangan,….Ưu điểm của O3 là tự phân hủy,

không để lại các phụ phẩm lạ và nguy hiểm trong nước sau khi phản ứng. Tuy vậy,
ozon kém hòa tan trong nước và là hợp chất không bền, thời gian tồn tại chỉ vài
phút. Vì vậy để đạt được số lượng ozon hòa tan trong nước đủ lớn cho quá trình oxi
hóa, phải đưa vào hệ một số lượng ozon lớn. Ngoài nhược điểm trên, khi sử dụng
ozon làm chất oxi hóa trong xử lí nước và nước thải là phải sản xuất ozon tại chỗ,
ngay trong dây chuyền xử lý.
2.3.2 Những ưu việt của quá trình phân hủy oxi hóa bằng gốc tự do Hyroxyl
(*OH)
a. Gốc tự do Hyroxyl (*OH) và khả năng oxi hóa của gốc Hydroxyl
Như chúng ta đã biết, oxi hóa là quá trình trong đó electron được chuyển từ
chất bị oxi hóa sang chất oxi hóa, tạo ra một hiệu thế được hiển thị bằng volt (V)
dựa trên hiệu thế điện cực Hydro bằng 0. Mỗi tác nhân oxi hóa điều có một thế
mạnh oxi hóa khác nhau và đại lượng này được dùng để so sánh khả năng oxy hóa
mạnh hay yếu của chúng.
Khả năng oxi hóa của các tác nhân oxi hóa được thể hiện qua thế oxi hóa và
được xắp xếp theo thứ tự trình bày trong bảng 2.1 dưới đây.
Bảng 2.1 Khả năng oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa
Tác nhân oxi hóa

Thế oxi hóa, V

Gốc Hydroxyl

2,80

Ozon

2,07

Hydrogen peroxit

1,78

Permanganat

1,68

Hydrobromic axit

1,59

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
7  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

Clo dioxit

1,57

Hypocloric axit

1,49

Hypoiodic axit

1,45

Clo

1,36

Brom

1,09

Iod

0,54
( Trần Mạnh Trí, 2006)

Trong các tác nhân oxi hóa trên, Gốc tự do Hyroxyl (*OH) là tác nhân oxi
hóa mạnh nhất. Qua bảng 2.1 ta thấy, thế oxi hóa gốc Hydroxyl là 2,8 V, cao nhất
trong số các tác nhân oxi hóa thường gặp, gấp 2.05 lần Clo và 1,52 lần Ozon.
Đặc tính của gốc tự do là trung hòa về điện trong khi các ion điều mang điện
tích dương hoặc âm. Gốc tự do được tạo thành từ sự tách ra hai phần bằng nhau của
liên kết hai electron, ví dụ: khi hào quang phân H2O2 sẽ thu được 2 gốc *OH như
sau:
HO:OH + hv -> *OH + *OH
Mỗi gốc *OH đều không mang điện, hai gốc *OH có thể kết hợp trở lại
thành HOOH cũng không mang điện. [Lưu ý: ký hiệu* cho biết là gốc tự do và biểu
thị một electron lẻ đôi ]. Gốc tự do này không tồn tại sẵn trong mội trường như
những tác nhân oxi hóa thông thường, mà chỉ sản sinh ra ngay trong quá trình phản
ứng, có tời gian sống rất ngắn, khoản vài nghìn giây nhưng liên tục được sinh ra
trong suốt quá trình phản ứng (Trần Mạnh Trí, 2006)
b. Cơ chế phản ứng và phương thức phản ứng của gốc Hydroxyl (*OH)

Một khi gốc tự do được hình thành, lạp tức xảy ra hàng loạt các phản ứng kế
tiếp theo kiểu dây chuyền với những gốc hoạt động mới. Vì vậy, sự hình thành gốc
Hydroxyl được xem như là một sự khơi mào cho hàng loạt các phản ứng xảy ra kế
tiếp trong dung dịch. Vì phản ứng của gốc Hdroxyl xảy ra không chọn lựa, nên
trong quá trình đó tạo ra nhiều sản phẩm trung gian khác nhau, khó tiên đoán tất cả
những sản phẩm oxi hóa trung gian có thể tạo ra trong quá trình.
Theo hai nhà khoa học GS.TSKH Trần Mạnh Trí, TS.Trần Mạnh Trung, gốc
Hydroxyl (*OH) có thể tác kích với các chất ô nhiễm theo các kiểu sau :
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
8  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

Phản ứng cộng với các hợp chất không no dây thẳng hoặc vòng thơm, tạo ra gốc
mới Hydroxylat hoạt động:
*OH + CH2 = CH2 -> *CH2-CH2(OH)
Phản ứng tách hydrogen từ các hợp chất no hoặc không no, tạo thành nước và gốc
mới hoạt động:
*OH + CH3 – CO – CH3 -> *CH2COCH3 + H2O
-Phản ứng trao điện tử tạo ra gốc ion mới hoạt động:
*OH + CH3-S-C6H5 -> [CH3-S-C6H5]+* +OHQuá trình phản ứng tiếp tục phát triển nhờ các gốc tự do mới sinh ra theo
kiểu phản ứng dây chuyền cho đến khi vô cơ hóa (khoáng hoá) hoàn toàn hoặc dây
chuyền bị đứt.
Mục đích mong muốn cuối cùng trong quá trình oxi hóa các chất ô nhiễm
trong nước thải là để vô cơ hóa, tức chuyển chất ô nhiễm hữu cơ thành các chất vô
cơ đơn gản và không độc hại.

Đặc điểm chung của quá trình oxi hóa bởi các tác nhân thông thường là
không thể xảy ra với mọi chất và không thể xảy ra triệt để. Trong khi đó, gốc *OH
thì ngược lại.
Bảng 2.2 Các hợp chất hữu cơ bị oxi hóa bởi gốc Hydroxyl (*OH) đã được nghiên
cứu
Nhóm

Hợp chất

Axit

Fomic, gluconic, lactic, malic, propionic, tactaric

Alcohol

Benzyl, tert-butyl, etanol, etylen, glycol, glyxerol,
iso-propanol,methanol, propenediol

Aldehyd

Axetaldehyl, benzaldehyd, focmaldehyl, glyoxal,
iso-butyraldehyd, tricloroaxetaldehyd.

Aromatic

Benzen, clorobenzen, clorophenol, creozot,
diclorophenol, hydroquinon, p-nitrophenol, phenol,
toluen, triclorophenol, xylem, trinitrotoluene.

GVHD: Nguyễn Trung Thành

SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
9  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

Amin

Anilin, amin vòng, dietylamin, dimetylfocmamid,
EDTA, propandiamin, n-propylamin

Thuốc nhuộm

Antraquinon, diazo, monoazo

Eter

Tetrahydrofuran

Keton

Dihydroxyaxeton, metyl-etyl-keton
( Trần Mạnh Trí, 2006)

c. Hằng số động học phản ứng giữa gốc Hydroxyl (*OH) và các chất hữu
cơ
Về tốc độ phản ứng, hầu như tất cả các hợp chất hữu cơ đều bị gốc Hydroxyl oxi
hóa với tốc độ nhanh hơn so với ozon (một chất oxi hóa mạnh nhất trong các chất

oxi hóa thông dụng) từ hàng nghìn đến hàng tỉ lần ( bảng 2.3)
Bảng 2.3 Hằng số tốc độ phản ứng (M-1S-1) của gốc Hydroxyl (*OH) so với Ozon.
Hợp chất

O3

*OH

Các Alcohol

10-2 đến 1

108 đến 1010

Các Aldehyt

10

109

Các alkan

10-2

106 đến 109

Các aromatic

1 đến 102

108 đến 1010

Các cacboxiclic
axit

10-3 đến 10-2

107 đến 109

Các alken clo hóa

10-1 đến 103

109 đến 1011

Các keton

1

109 đến 1010

Các chất hữu cơ
chứa N

10 đến 102

108 đến 1010

Các olefin

1 đến 450.103

109 đến 1011

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
10  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

Các phenol

103

109 đến 1010

Các chất hữu cơ
chứa S

10 đến 1,6.103

109 đến 1010

( Trần Mạnh Trí, 2006)
2.3.3 Các quá trình tạo ra gốc Hydroxyl (*OH)
Do gốc Hydroxyl (*OH)có khả năng oxi hóa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxi
hóa rất nhanh và không chọn lựa khi phản ứg với các hợp chât khác nhau, nhiều

công trình nghiên cứu trong mấy thập kỉ qua là các quá trình tạo ra gốc Hydroxyl
trên cơ sở các tác nhân oxi hóa thông thường như Ozon, Hydrogen peroxit thông
qua phản ứng hóa học (H2O2/Fe2+, )O3/H2O2, O3/xúc tác, H2O2/xúc tác, hoặc nhờ
bức xạ cực tím UV (O3/UV, H2O2/UV, O3+ H2O2/UV, H2O/VUV, Ti O2/UV) và các
nguồn năng lượng cao (siêu âm, tia gamma, tia X, chùm electron).
Các quá trình oxi hóa nâng cao trên cơ sở gốc Hydroxyl đã được nghiên cứu
để áp dụng vào lĩnh vục xử lý nước thải
Nhờ những ưu điểm nổi bật trong việc loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt
những vi chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy, các quá trình oxi hóa nâng cao dựa
trên gốc tự do Hydroxyl (*OH) được xem như một “chìa khóa vàng” để giải bài
toán đầy thách thức của thế kỷ cho ngành xử lý nước thải hiện nay.
Bảng 2.4: Các quá trình oxi hóa nâng cao dựa vào gốc Hydroxyl(*OH)
Nhóm

Tên quá trình

Các quá trình oxy hóa Fenton cổ điển
nâng cao không nhờ các
nhân ánh sáng
Fenton điện hóa

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
11  

Tác nhân phản ứng
H2O2, Fe2+

H2O2 với anot Fe và năng
lượng điện hóa

Peroxon

H2O2, O3

Catazon

O3 và chất xúc tác

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

Oxi hóa điện hóa

H2O, năng lượng điện hóa

Quá trình siêu âm

H2O, năng lượng siêu âm

Quá trình bức xạ năng H2O, năng lượng cao (tia
lượng cao(tia γ ,tia X, γ ,tia X, chùm electron)
chùm electron)
Các quá trình oxi hóa Quang Fenton biến thể
nâng cao nhờ tác nhân
ánh sáng
Quang Fenton

UV/oxy hóa

H2O2 và Fe3+ (phức) và
năng lượng photon UV
H2O2 và Fe3+ (ion) và
năng lượng photon UV
1. H2O2 và UV
2. O3 và UV
3. H2O2 /O3 và UV

VUV/oxy hóa

H2O và năng lượng UV
chân không VUV

Quang xúc tác bán dẫn

TiO2 và năng
photon UV

lượng

2.3.4 Sơ lược về TiO2
Titandioxide TiO2 còn gọi là titan (IV) oxit hoặc Titania, là tự nhiên oxit của titan,
công thức hóa học TiO2 là một loại vật liệu rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày
của chúng ta. Chúng được sử dụng nhiều trong việc pha chế tạo màu sơn, màu
men, mỹ phẩm và cả trong thực phẩm. Ngày nay lượng TiO2 được tiêu thụ hàng
năm lên tới hơn 3 triệu tấn. Ngày nay TiO2 còn được biết đến trong vai trò của một
chất xúc tác quang hóa. .

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
12  

Hình 2.3: TiO2                                                              
dạng bột
                             


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

Bảng 2.5: Tính chất của TiO2
Tính chất
TiO2
Khối lượng phân tử

79,866 g/mol

Hình dạng

chất rắn màu trắng

Mật độ

4,23g/cm3

Điểm nóng chảy

18430C

Điểm sôi

29720C

chiết suất (nD)

2,488 (anatase)
2,583 (brookite)
2,609 (rutil)

Các dạng cấu trúc của TiO2.:
Titanium dioxide trong tự nhiên có 3 dạng: khoáng rutil , anatase và brookite.
Titan dioxide có tám sửa đổi - bổ sung cho rutil , anatase và brookite có ba hình
thức sản xuất tổng hợp siêu bền (nghiêng, tứ giác và orthorombic), và năm hình
thức áp lực cao (α-PbO 2 giống, baddeleyite và cotunnite).

GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
13  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

Bảng 2.6: Công thức hóa học các khoáng vật quan trọng của TiO2
Khoáng vật

Công thức hóa học

Hàm lượng TiO2 , %

Rutile

TiO2

92 – 98

Anatase

TiO2

90 – 95

Brookite

TiO2

90 – 100

Ilmenite

FeTiO3

35 – 60

Leucoxene

CaTiO3

60 – 90

Perovskite

CaTiSiO5

40 – 60

Sphene(titanit)

Fe(Ti)Fe2O4

30 – 42

Titanomagnetit

2 - 20

Ứng dụng
Titan dioxide sử dụng như chất màu để cung cấp độ trắng và độ mờ cho sản phẩm
như sơn, sơn, nhựa, giấy, mực in, thực phẩm, thuốc (ví dụ như thuốc và thuốc viên)
cũng như hầu hết thuốc đánh răng .
Titan dioxide được sử dụng để đánh dấu các dòng trắng trên sân quần vợt của các
địa điểm của giải đấu quần vợt hàng năm của giải vô địch Wimbledon, grand slam.
Trong mỹ phẩm và chăm sóc da sản phẩm, titan dioxide được sử dụng như là một
sắc tố, kem chống nắng và một chất làm đặc. Nó cũng được dùng như là một hình
xăm màu và bút chì cầm máu.
Quang học

GVHD: Nguyễn Trung Thành

SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
14  

                                                                                           


Nghiên cứu xử lý chất hoạt động bề mặt trong nước thải bằng hệ xúc tác quang học 

Titan dioxide, đặc biệt là ở dạng anatase, là một quang xúc tác dưới tia cực tím UV
ánh sáng. Gần đây nó đã được tìm thấy rằng titan dioxide, khi tăng mạnh với các
ion hoặc pha tạp nitơ oxit kim loại như với triôxít vonfram, cũng là một quang xúc
tác theo hoặc ánh sáng nhìn thấy hoặc tia cực tím. Khả năng oxi hóa mạnh của các
lỗ tích cực oxi hóa nước để tạo ra các gốc hydroxyl. Nó cũng có thể oxi hóa hữu cơ.
Titan dioxide được thêm vào sơn, xi măng, cửa sổ, gạch, hoặc các sản phẩm khác để
khử trùng của nó, khử mùi và chống hà tài sản và được sử dụng như một thủy phân
chất xúc tác.
Titan dioxide có tiềm năng để sử dụng năng lượng sản xuất: như quang xúc tác.
•

Thực hiện thủy phân, chia nước thành hydro và oxi. Hydro thu được, nó có
thể được sử dụng làm nhiên liệu. Hiệu quả của quá trình này có thể được cải
thiện rất nhiều.

•

Titan dioxide cũng có thể sản xuất điện khi ở dạng hạt nano. Nghiên cứu cho
thấy rằng bằng cách sử dụng các hạt nano để tạo thành các điểm ảnh của màn
hình.

•

TiO2 được kết hợp vào vật liệu xây dựng ngoài trời, như lát đá trong khối
noxer hoặc sơn, đáng kể có thể làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong
không khí như các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các oxit nitơ.

TiO2 cung cấp tiềm năng lớn như là một công nghệ xử lý nước thải
• Quá trình này xảy ra trong điều kiện môi trường xung quanh rất chậm; trực
tiếp tiếp xúc với tia UV làm tăng tốc độ phản ứng.
• Quá trình oxy hóa của các chất nền để hình thành CO2, H2O.
• Quang xúc tác này là rẻ tiền và có hiệu quả cao.
2.3.5 Các quá trình quang xúc tác bán dẫn
- Quá trình quang xúc tác bán dẫn là một trong những quá trình oxy hóa nâng cao
nhờ tác nhân ánh sáng. Đây được xem là quá trình có tầm quan trọng trong lĩnh vực
xử lý nước và nước thải. Quá trình quang xúc tác bán dẫn là quá trình oxy hóa dựa
vào gốc hydroxyl *OH được sinh ra nhờ chất xúc tác bán dẫn, nó hoạt động khi
nhận được bức xạ. Ưu điểm của quá trình này
Không tạo ra bùn
Phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ khó phân hủy
Chi phí đầu tư thấp
Thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường
GVHD: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Võ Thị Thanh Trang 
15