Nghiên cứu xử lý nước thải chứa phenol bằng phương pháp peroxon

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Trịnh Anh Nam

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL BẰNG PHƯƠNG
PHÁP PEROXON

Chuyên ngành :

Công Nghệ Môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường.

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Đặng Xuân Việt

Hà Nội – Năm 2011


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành tại Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường –
Trường đại học Bách khoa Hà Nội, với sự hướng dẫn của TS. Đặng Xuân Việt.
Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS. Đặng Xuân Việt đã nhiệt tình hướng
dẫn, giúp đỡ tơi trong q trình nghiên cứu, thực hiện luận văn và đã cho tôi những ý
kiến nhận xét, góp ý q báu.

Tơi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, các thầy, các cô, cán bộ nhân viên trong Viện Khoa học và Công nghệ
Môi trường – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện
cho tôi trong quá trình nghiên cứu và học tập.
Đặc biệt, Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới nhóm thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp o xy hóa tiên tiến (AOP) trong xử lý nước
thải chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học" do PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân
làm chủ nhiệm đề tài đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi có thể thực hiện tốt đề tài
này.
Tơi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên tôi, động viên tôi, giúp đỡ tơi
vượt qua mọi khó khăn để hồn thành luận văn này.
Hà Nội, tháng 12/2011
Học viên

Trịnh Anh Nam

Luận văn thạc sĩ

1

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của riêng tơi. Các kết quả

nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

TÁC GIẢ

Trịnh Anh Nam

Luận văn thạc sĩ

2

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

TT

Ký hiệu

Tiếng anh

Tiếng Việt

1

COD

Chemical oxygen demand

Nhu cầu oxy hoá học

2

BOD

Biological oxygen demand

Nhu cầu oxy sinh hoá

3

TOC

Total organic Carbon

Tổng cacbon hữu cơ

4

AOPs

Advanced oxidation processes

Q trình oxi hóa nâng cao

5

QCVN

-

Quy chuẩn Việt Nam

6

POPs

Peristent organic pollutions

7

PCBs

Polyclo biphenyl

-

8

THM

Trihalomethane

-

9

USEPA

United states environmental

Cơ quan bảo vệ Môi trường

protection Agency

Mỹ

10

ANPO

Advanded non photochemical
oxidation processes

Các chất ơ nhiễm hữu cơ khó
phân hủy

Các q trình oxi hóa nâng
cao khơng nhờ tác nhân ánh
sáng

11

UV

UltraViolet

Tia cực tím

12

NOM

Nature organic mater

Chất hữu cơ tự nhiên

13

TCE

Tricloetylen

-

14

PCE

Percloetylen

-

15

DCPE

Dicloetylen

-

16

CPA

Clopropen

-

17

DCA

Dicloetan

-

Luận văn thạc sĩ

3

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của phenol và dẫn xuất phenol ................................. 4
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 1.2. Nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành cơng nghiệp................... 7
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 1.3. Thế oxy hóa của các chất oxy hóa phổ biến ............................................... 13
U
T

6
3

T
6
3
U

Bảng 1.4. Các q trình oxi hóa nâng cao khơng nhờ tác nhân ánh sáng .................... 16
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 1.5. Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng ............................... 17
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 1.6. Độ hòa tan của ozon vào trong nước .......................................................... 21
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 1.7. Tính chất vật lý của ozon ........................................................................... 21
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 1.8. So sánh 2 phương pháp xử lý bằng ozon và peroxon .................................. 38
U
T
6
3

T
6

3
U

Bảng 2.1. Các thông số đầu vào của các dung dịch nước thải chứa phenol ................. 40
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 3.1. Lượng ozon thốt ra ngồi sau khi hấp thụ qua các dung dịch .................... 47
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 3.2. Lượng Ozon hấp thụ trong các dung dịch khác nhau .................................. 47
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 3.3. Sự giảm COD của dung dịch nước thải chứa phenol xử lý theo thời gian
U
T
6
3

bằng phương pháp ozon hóa ở các điều kiện pH khác nhau ....................................... 50
T
6
3
U

Bảng 3.4. BOD5 của mẫu nước thải chứa phenol sau khi xử lý bằng ozon hóa .......... 52
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 3.5. Sự giảm COD theo thời gian trong các dung dịch nước thải có nồng độ

U
T
6
3

phenol ban đầu khác nhau .......................................................................................... 53
36T
U

Bảng 3.6. Nồng độ O3 và H2O2 cấp vào trong nghiên cứu xử lý nước thải bằng
U
T
6
3

phương pháp peroxon với r = 0,5 ............................................................................... 57
T
6
3
U

Bảng 3.7. Ảnh hưởng của pH và thời gian xử lý đến hiệu quả xử COD của dung dịch
U
T
6
3

nước thải chứa phenol bằng phương pháp peroxon .................................................... 58
T
6

3
U

Bảng 3.8. BOD5 của các mẫu nước thải chứa phenol sau khi xử lý ............................ 60
U
T
6
3

T
6
3
U

Bảng 3.9. Nồng độ O3 và H2O2 cấp vào trong xử lý bằng phương pháp peroxon với
U
T
6
3

các giá trị r khác nhau ................................................................................................ 61
36T
U

Bảng 3.10. Ảnh hưởng của tỉ lệ r đến hiệu quả xử lý COD của dung dịch nước thải
U
T
6
3

chứa phenol ............................................................................................................... 61
36T
U

Luận văn thạc sĩ

4

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cơ chế chuyển hóa của phenol trong cơ thể sinh vật..................................... 9
U
T
6
3

T
6
3
U

Hình 1. 2. Cấu tạo của ozon ....................................................................................... 20
U
T

6
3

36T
U

Hình 1.3. Hai đường đi phản ứng oxi hố của ozon trong dung dịch nước ................. 23
U
T
6
3

T
6
3
U

Hình 1.4. Phản ứng của ozon với các liên kết khơng no ............................................. 23
U
T
6
3

T
6
3
U

Hình 1.5. Cơ chế Criegree.......................................................................................... 24
U

T
6
3

36T
U

Hình 1.6. Phản ứng Electrophilic của ozon với các chất hữu cơ thơm ........................ 24
U
T
6
3

T
6
3
U

Hình 1.7. Các nhóm chức hữu cơ có thể bị phản ứng bởi ozon................................... 25
U
T
6
3

T
6
3
U

Hình 1.8. Sơ đồ phản ứng ozon hóa các chất hữu cơ thơm ......................................... 26

U
T
6
3

T
6
3
U

Hình 1.9: Cơ chế khơi mào phản ứng bởi gốc OH- ..................................................... 28
U
T
6
3

P
U

T
6
3
P

Hình 1.10. Sơ đồ phản ứng ozon hóa naptalen ........................................................... 29
U
T
6
3

T
6
3
U

Hình 2.11. Sơ đồ phản ứng ozon với phenol .............................................................. 30
U
T
6
3

T
6
3
U

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước thải chứa phenol bằng phương pháp
U
T
6
3

peroxon...................................................................................................................... 43
T
6
3
U

Hình 2.2. Thí nghiệm xác định nồng độ ozon cấp vào ................................................ 43
U

T
6
3

T
6
3
U

Hình 2.3. Thí nghiệm xử lý nước thải chứa phenol bằng ozon hóa ............................. 43
U
T
6
3

T
6
3
U

Hình 3.1. Đồ thị mơ tả ảnh hưởng của pH và nồng độ phenol ban đầu đến khả năng
U
T
6
3

hấp thụ ozon trong dung dịch ..................................................................................... 47
36T
U

Hình 3.2. Đồ thị mô tả sự giảm COD theo thời gian của dung dịch nước thải xử lý
U
T
6
3

bằng phương pháp ozon hóa ở các điều kiện pH khác nhau ....................................... 50
T
6
3
U

Hình 3.3. Đồ thị mô tả hiệu suất xử lý COD của dung dịch nước thải chứa phenol theo
U
T
6
3

thời gian bằng phương pháp ozon hóa ở các điều kiện pH khác nhau ......................... 51
T
6
3
U

Hình 3.4. Biều đồ mơ tả sự giảm COD của các dung dịch nước thải phenol theo thời
U
T
6
3

gian xử lý................................................................................................................... 54
36T
U

Hình 3.5. Đồ thị mơ tả hiệu suất xử lý COD của nước thải chứa phenol có các nồng độ
U
T
6
3

phenol ban đầu khác nhau bằng phương pháp ozon hóa theo thời gian....................... 55
T
6
3
U

Hình 3.6. Biểu đồ mơ tả sự giảm COD của dung dịch nước thải chứa phenol ở các giá
U
T
6
3

trị pH khác nhau ........................................................................................................ 59
36T
U

Hình 3.7. Đồ thị mơ tả sự giảm COD của dung dịch nước thải chứa phenol bằng
U
T
6

3

phương pháp peroxon khi thay đổi các giá trị r khác nhau.......................................... 62
T
6
3
U

Luận văn thạc sĩ

5

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT
T
6
3

T
6
3

DANH MỤC BẢNG BIỂU
T
6
3

36T

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
T
6
3

T
6
3

MỞ ĐẦU ........................................................................................................................1
T
6
3

36T

Chương I .........................................................................................................................3
T
6
3

36T

TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TÍNH CỦA PHENOL, TÁC ĐỘNG CỦA NĨ ĐẾN MƠI
T
6
3

TRƯỜNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL ........3
T
6
3

I.1. GIỚI THIỆU VỀ PHENOL VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA NĨ ..........................3
T
6
3

T
6
3

I.1.1. Một số tính chất vật lý và hóa học của phenol .....................................................3
T
6
3

T
6
3

I.1.2. Nguồn gốc và việc sử dụng phenol trong sản xuất công nghiệp ..........................5
T

6
3

T
6
3

I.2. TÁC ĐỘNG CỦA PHENOL VÀ CÁC DẪN XUẤT CỦA NĨ TỚI MƠI
T
6
3

TRƯỜNG VÀ SỨC KHỎE CON NGƯỜI ....................................................................7
T
6
3

I.2.1. Những vấn đề môi trường gây ra bởi các hợp chất phenol ...................................7
T
6
3

T
6
3

I.2.2. Tác động của phenol đến con người và động vật ..................................................8
T
6
3

T
6
3

I.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL .........................12
T
6
3

T
6
3

I.3.1. Các phương pháp sử dụng trong xử lý nước thải chứa phenol ..........................12
T
6
3

T
6
3

I.3.2. Lựa chọn phương pháp xử lý nước thải chứa phenol .........................................19
T
6
3

T
6

3

I.3.3. Q trình oxi hóa nâng cao dựa trên cơ sơ O 3 /H 2 O 2 (peroxon)
T
6
3

R

R

R

R

R

R

..........................20
I.3.4. Những thuận lợi và khó khăn của q trình peroxon ..........................................36
T
6
3

T
6
3

I.3.5. So sánh phương pháp ozon hóa và peroxon ........................................................38

T
6
3

T
6
3

Chương II .....................................................................................................................39
T
6
3

36T

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .............................................................................39
T
6
3

T
6
3

II. 1. Mục đích, đối tượng, nội dung nghiên cứu ..........................................................39
T
6
3

Luận văn thạc sĩ

T
6
3

6

Ngành Công nghệ Môi trường

T
6
3


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

II.1.1. Mục đích nghiên cứu: .......................................................................................39
T
6
3

36T

II.1.2. Đối tượng nghiên cứu: .......................................................................................39
T
6
3

36T

II.1.3. Nội dung nghiên cứu: ........................................................................................39
T
6
3

36T

II.2. Pha chế nước thải phenol ......................................................................................39
T
6
3

36T

II. 3. Các phương pháp đo và phân tích ........................................................................40
T
6
3

T
6
3

II.4. Trang thiết bị và hóa chất thí nghiệm ...................................................................42
T
6
3

T
6
3

II.4.1. Trang thiết bị ......................................................................................................42
T
6
3

36T

II.4.2. Hóa chất .............................................................................................................42
T
6
3

36T

II.5. Chuẩn bị thí nghiệm ..............................................................................................42
T
6
3

36T

Chương III ....................................................................................................................44
T
6
3

36T

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................................................46
T
6
3

T
6
3

III.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý COD trong dung dịch nước
T
6
3

thải chứa phenol trong q trình ozon hóa ...................................................................46
T
6
3

III.1.1. Sự tiêu thụ và chuyển hóa ozon trong dung dịch nước thải .............................46
T
6
3

T
6
3

III.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý COD của dung dịch nước thải chứa
T
6
3

phenol trong q trình ozon hóa. ..................................................................................49
36T

III.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý nước thải chứa phenol
T
6
3

bằng phương pháp peroxon. .........................................................................................57
36T

III.2.1. nghiên cứu ảnh hưởng của pH và thời gian phản ứng đến quá trình peroxon...57
T
6
3

T
6
3

III.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ r = [H 2 O 2 ]/[O 3 ] đến quá trình
T
6
3

R

R

R

R

R

R

peroxon...........61
36T

KẾT LUẬN ..................................................................................................................66
T
6
3

36T

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................68
T
6
3

Luận văn thạc sĩ

36T

7

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

MỞ ĐẦU

Hiện nay song song với quá trình phát triển cơng nghiệp thì một lượng lớn chất
ơ nhiễm độc hại đã được sinh ra. Các chất độc hại này nếu không được xử lý trước khi
thải ra môi trường sẽ gây nên những hậu quả vô cùng nghiêm trọng cho hệ sinh thái và
ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người. Ở nước ta hiện nay, mặc dù tốc độ phát
triển công nghiệp chưa cao, tuy nhiên do ý thức của người dân và các đơn vị sản xuất
cịn thấp, nên các vấn đề ơ nhiễm môi trường là hết sức cấp thiết.
Nước thải của một số ngành cơng nghiệp như cơng nghiệp hóa chất, dệt nhuộm,
giấy, dầu khí, hóa chất bảo vệ thực vật và hóa dược... có chứa nhiều các chất ơ nhiễm.
Thành phần các chất ơ nhiễm có trong nước thải của các ngành công nghiệp này đáng
chú ý nhất là những hợp chất hữu cơ khó hoặc khơng thể bị phân hủy sinh học. Những
hợp chất này thường có độc tính cao, khó xử lý và loại bỏ bằng các phương pháp sinh
học hoặc các phương pháp xử lý thông thường khác.
Các hợp chất khó phân hủy trong nước thải của những ngành cơng nghiệp kể
trên rất đa dạng. Trong đó, thường gặp là các dung môi hữu cơ, chất hoạt động bề mặt,
các chất màu, thuốc nhuộm, các sản phẩm dầu mỏ, phenol và các hợp chất của phenol,
các loại thuốc trừ sâu, trừ cỏ, trừ nấm, các hợp chất Chlorophenole, dẫn xuất benzen
một vòng hoặc nhiều vòng, các halogen hữu cơ, các hợp chất phospho hữu cơ, các
phức chất kim loại hữu cơ (cơ kim). Những hợp chất này thường là những chất độc,

đến rất độc. Do đó việc xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy ra khỏi môi trường
nước là vấn đề hết sức cấp bách.
Từ trước tới nay, xử lý nước và nước thải có chứa các hợp chất hữu cơ khó
phân hủy nói chung và nước thải có chứa các hợp chất của phenol nói riêng chủ yếu
dựa vào các phương pháp xử lý truyền thống. Tuy nhiên hiệu quả của các phương
pháp xử lý này khơng cao. Do đó, việc tìm kiếm các cơng nghệ mới phù hợp có khả
năng xử lý hiệu quả đang được nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu. Một trong
các phương pháp xử lý hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả đó là phương
pháp oxi hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs)
1T

Luận văn thạc sĩ

1

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Oxi hóa nâng cao đã xuất hiện trên thế giới từ trước những năm 1990 trở lại
đây, được áp dụng để xử lý nước và nước thải. Các q trình oxi hóa nâng cao ngày
càng trở thành một giải pháp không thể thiếu bên cạnh những công nghệ truyền thống
để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại, khó phân hủy sinh học có mặt trong nước,
nước thải sinh hoạt, nước thải cơng nghiệp, ví dụ như các chất hữu cơ mạch vòng
(benzen), phenol, thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu... Trong số các phương pháp oxi hóa
nâng cao được ứng dụng để xử lý nước thải chứa các hợp chất khó phân hủy thì
phương pháp oxi hóa nâng cao trên cơ sở ozon được dùng khá phổ biến và cho hiệu
quả cao.
Ở nước ta, công nghệ xử lý nước và nước thải dựa trên các quá trình oxy hóa

nâng cao cịn đang rất mới mẻ. Hiện nay, đã có một vài cơng trình nghiên cứu về lĩnh
vực này nhưng không được hệ thống và việc áp dụng phương pháp này vào thực tế cịn
hạn chế. Chính vì vậy, chúng tơi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải chứa
phenol bằng phương pháp peroxon” để đề xuất phương pháp xử lý nước thải chứa
phenol và các dẫn xuất của nó bằng phương pháp ơxi hóa nâng cao dựa trên cơ sở sự
có mặt của ozon và hydrogen peroxit (O 3 /H 2 O 2 ).
R



R

R

R

R

R

Mục đích của đề tài:

- Nghiên cứu phương pháp oxi hóa nâng cao trên cơ sở sử dụng hỗn hợp giữa
ozon và hydrogen peroxit (H 2 O 2 ) để xử lý phenol trong nước thải (phương pháp
R

R

R

R

peroxon)
- Xác định giá trị tối ưu của các thông số ảnh hưởng và hiệu quả xử lý nước thải
chứa phenol của phương pháp peroxon


Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là nước thải chứa phenol được pha chế trong phịng thí
nghiệm


Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Nghiên cứu đề xuất cơng nghệ có tính khả thi để áp dụng xử lý các chất hữu cơ
khó phân hủy sinh học trong nước thải.
- Đề tài nghiên cứu sẽ là đề xuất mới cho việc lựa chọn phương pháp xử lý hiệu
quả đối với nước thải chứa các hợp chất hưu cơ khó phân hủy nói chung và cho nước
thải của ngành sản xuất cơng nghiệp chứa phenol nói riêng.

Luận văn thạc sĩ

2

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Chương I
TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TÍNH CỦA PHENOL, TÁC ĐỘNG CỦA NĨ ĐẾN MƠI
TRƯỜNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL

I.1. GIỚI THIỆU VỀ PHENOL VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA NĨ
Phenol là một dãy các hợp chất hóa học, chất đại diện đầu tiên của dãy hợp chất
này là hidroxy benzen, được Runge tìm thấy năm 1834 khi cất phân đoạn nhựa than
đá. Vì nó có mang tính axít nên hợp chất này cịn được gọi tên là axit cacbolic hoặc
axít phelic, về sau để thể hiện mối quan hệ với các ancol, người ta gọi nó là phenol.
Ngày nay khái niệm phenol được mở rộng để chỉ tất cả các hợp chất có một hoặc
nhiều nhóm hidroxyl nối trực tiếp với cacbon của nhân benzen [2].
I.1.1. Một số tính chất vật lý và hóa học của phenol
Phenol là chất rắn màu sáng trắng khi ở trạng thái tinh khiết. Trong sản xuất
thương mại, phenol có thể tồn tại ở dạng lỏng. Phenol có mùi đặc trưng, con người có
thể cảm nhận được mùi của phenol nếu nồng độ của nó có trong khơng khí là khoảng
40 ppm và trong nước là khoảng 8 ppm. Phenol bay hơi chậm hơn nước, hòa tan trong
nước khơng nhiều và có thể bắt cháy. Một số tính chất vật lý của phenol và một số dẫn
xuất được thể hiện trong bảng 1.1 dưới đây [19]:

Luận văn thạc sĩ

3

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của phenol và dẫn xuất phenol [19]
Tính chất
O – cresol
M –cresol
P-cresol
Phenol
Điểm tan chảy (oC )

30.90

11.5

34.8

41

Điểm sôi (oC )

191

202.7

201.9

182

Tỉ trọng d 4 20 (g/cm3)

1.027

1.034

1.018

1.049

Tỉ trọng (hơi) (khơng khí = 1)

3.72

3.72

3.72

3.24

Áp suất hơi (25oC) (Pa)

33.3

14.7

14.7

47

Áp suất hơi (60oC) (Pa)

473

226

226

5300

Nhiệt độ tự cháy (oC )

559

559

559

715

Độ hòa tan ( 25oC) (%)

2.5

1.9

1.9

8.7

Khối lượng phân tử (kg/mol)

108.14

108.14

108.14

94.11

CH 3 )C 6 H 4 (OH)

C6H6 O

P

P

R

RP

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

Công thức hóa học

0T

(CH 3 )C 6 H 4 (OH) CH 3 )C 6 H 4 (OH)
1
0T

R

R

R

R

R

R

T
1

R

R

R

R

R

R

T
1

R

R

R

R

R

R

R

Cấu trúc hóa học

Do ảnh hưởng của nhân thơm nên nguyên tử hydro trong nhóm hydroxi linh
động hơn nên dễ bị thay thể bởi nguyên tử kim loại vì vậy phenol khơng chỉ tác dụng
với dung dịch kiềm tạo phenolat mà cịn có thể tác dụng với kim loại kiềm để tạo
phenolat. Theo phương trình phản ứng sau [2]:
-

O Na

OH

+

Na

-

O Na

OH

+

Luận văn thạc sĩ

+

-

HO Na

+

4

+

1/2 H2

+

H2O

+

Ngành Công nghệ Môi trường

R

R

R

Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Các phenolat không bị nước thủy phân, nhưng tương tự như muối của axit yếu
và bazơ mạnh, nó bị thủy phân một phần trong dung dịch nước và dung dịch của nó có
phản ứng kiềm.
Phenol tác dụng với axit thành este, đáng lưu ý là este của phenol với axit hữu
cơ, như phương trình dưới đây:
O

O

OH

O

CH3

H3C
2

+

O

2

+

H2O

H3C
O

Phản ứng tạo thành este từ axít và phenol (hoặc rượu) gọi là phản ứng este hóa.
Ion hidro làm xúc tác cho phản ứng do đó tốc độ phản ứng tăng nhanh khi có mặt axít
vơ cơ.
I.1.2. Nguồn gốc và việc sử dụng phenol trong sản xuất công nghiệp
a. Các nguồn phát sinh phenol
Phenol có thể được sinh ra qua 2 con đường, tự nhiên và nhân tạo. Trong tự
nhiên, phenol có trong một số loại thực phẩm, chất thải của động vật, con người và
trong sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ hoặc nó cịn được tạo ra bên trong cơ thể
sinh vật do quá trình trao đổi chất chuyển hóa từ các axit amin.
Phenol được phân lập từ nhựa than đá, hoặc có thể được sản xuất nhân tạo.
Hiện nay phenol được sản xuất, sử dụng rộng rãi trong rất nhiều loại hình sản xuất
cơng nghiệp như sản xuất nhựa phenolic, gỗ dán, chất kết dính, xây dựng, ô tô và thiết
bị vật tư cho các ngành công nghiệp, phenol cũng được tạo ra từ các quá trình sản xuất
sợi tổng hợp như nilon, nhựa epoxy… Phương pháp chủ yếu tạo ra phenol tổng hợp là
từ quá trình oxy hóa cumene (isopropylbenzene), chiếm tới hơn 95% lượng phenol
tổng hợp nhân tạo, phần còn lại phenol được sản xuất bằng phương pháp là oxy hóa
toluene thơng qua axit benzoic. Các quá trình khác được sử dụng để sản xuất phenol
bao gồm sử dụng các nguyên liệu đầu vào như benzene thông qua cyclohexane,
benzene sulfonation…[19]

Luận văn thạc sĩ

5

Ngành Công nghệ Môi trường

Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
b. Các ứng dụng của phenol trong sản xuất công nghiệp
Phenol và các dẫn xuất của phenol là nguyên liệu đầu rất quan trọng trong
nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Năm 1963, toàn thế giới sản xuất khoảng 40 vạn
tấn phenol. Năm 1993, tổng lượng phenol do Mĩ sản xuất ra 1,67 triệu tấn phenol,
trong đó khoảng một nửa lượng phenol dùng vào công nghiệp xây dựng và nhà ở, ứng
dụng chính của phenol là dùng để sản xuất chất dẻo phenol-fomandehit, các loại nhựa
phenolic, sợi nilon, sợi caprolacton, nhựa epoxit. Đến năm 2001, phenol được sản xuất
trên toàn thế giới là gần 64 triệu tấn, được sử dụng chủ yếu là bisphenol A, nhựa
phenolic, caprolactam , aniline và alkylphenols. Ngồi ra phenol cịn được dùng để sản
xuất axít salyxilic, các chất màu, dược phẩm, chất hóa dẻo, chất chống oxi hóa, tẩy uế
cơn trùng, thuốc trừ sâu, chất diệt cỏ,... sử dụng làm thuốc thử trong các phịng thí
nghiệm, trong cơng nghệ hóa dầu, dược phẩm…các sản phẩm nitro hóa phenol được
dùng làm thuốc nổ [10].
Sau đây là một số ứng dụng các hợp chất chứa gốc phenol [19]
- Bisphenol A (BPA), được sử dụng trong sản xuất các thiết bị ngưng tụ, nó
được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhựa polycarbonate (chiếm tới 80%). Đây là loại
nhựa kỹ thuật được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô như làm lớp phủ ô tô, chất
phủ điện tử và các ứng dụng khác.
- Nhựa phenolic: được sản xuất bằng cách ngưng giá thành sản xuất thấp, đã
được sản xuất thương mại hóa trên thế giới hơn 100 năm qua. Chúng được sử dụng
làm chất kết dính trong nhiều ngành cơng nghiệp như gỗ dán và trong cả công nghiệp
sản xuất ô tô.

Luận văn thạc sĩ

6

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
I.2. TÁC ĐỘNG CỦA PHENOL VÀ CÁC DẪN XUẤT CỦA NĨ TỚI MƠI
TRƯỜNG VÀ SỨC KHỎE CON NGƯỜI
I.2.1. Những vấn đề môi trường gây ra bởi các hợp chất phenol
Phenol được tìm thấy khá phổ biến trong tự nhiên, nó có mặt trong khơng khí,
đất, nước mặt và nước ngầm. Hàm lượng phenol trong môi trường phụ thuộc vào
nguồn phát sinh ra nó như các khu sản xuất, ngành công nghiệp tạo ra phenol... Thời
gian tồn tại của phenol trong đất rất ngắn (trong vòng 2 – 5 ngày), tuy nhiên ở trong
nước phenol có thời gian tồn tại lâu hơn, có thể dài hàng tuần. Nếu nồng độ phenol
trong mơi trường càng lớn thì thời gian tồn tại của nó càng lâu. Phenol cịn được tìm
thấy trong nước ngầm nhưng với nồng độ thấp, nồng độ của nó là khoảng ở mức nồng
độ ppb hoặc thấp hơn[8].
Ngưỡng độc của các hợp chất phenol nằm trong khoảng ppb (García et al.,
1989) [19], và thường có mùi hắc khó chịu. Thơng thường, vị của nước bị nhiễm
phenol khơng thể xác định được trong khoảng nồng độ 0,1 – 0,01 ppb. Với nồng độ
lớn hơn 50ppb, phenol đã gây độc đối với các sinh vật thuỷ sinh. Đối với con người,
hấp thụ 1g phenol có thể ảnh hưởng đến sức khoẻ. Tính độc của phenol là do phenol
có khả năng tác động vào hệ thần kinh của sinh vật sống. Thêm vào đó, các hợp chất
phenol có nhu cầu oxi cao, tiêu tốn 2,4mg O 2 cho 1 mg phenol. Ngồi ra, phenol cịn
R

R

có thể kết hợp với clo trong nước uống tạo ra clorophenol, là hợp chất rất độc và khó
phân huỷ. Nồng độ phenol có trong nước thải của một số nghành công nghiệp được
mô tả trong bảng dưới đây.

Bảng 1.2. Nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành công nghiệp [16]
Ngành công nghiệp
Nồng độ phenol (mg/l)
Khai thác than

1000 – 2000

Chuyển đổi than non (Lignite transformation)

10000 – 15000

Sản xuất khí đốt

4000

Lị cao (nước dập xĩ)

4000

Hóa dầu

50 – 70

Nhà máy sản xuất benzen

50

Dược phẩm

1000

Tinh chế dầu

2000 – 20000

Sản xuất nhựa phenol - formandehyt

100 - 200

Luận văn thạc sĩ

7

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
I.2.2. Tác động của phenol đến con người và động vật
1. Độc học của phenol
U

a. Các con đường xâm nhập của phenol vào cơ thể sinh vật
Phenol có thể hấp thụ vào cơ thể con người và động vật qua 3 con đường khác
nhau. Hấp thụ qua con đường hơ hấp, ăn uống (hệ tiêu hóa) và hấp thụ trực tiếp qua
da. Đã có rất nhiều các cơng trình nghiên cứu nhằm xác định con đường tiếp xúc
phenol lên con người và động vật. Năm 1971, ở Viện nghiên cứu Hà Lan, Piostrowki
[19] đã tiến hành thí nghiệm nghiên cứu sự hấp thụ phenol trên cơ thể con người bởi
các tình nguyện viên. Các tình nguyện viên này sẽ được tiếp xúc với mơi trường có
phenol nồng độ từ 6- 20 mg/m3 trong 8 h. Kết quả nghiên cứu cho thấy, 60 – 88%

P

P

lượng phenol được hấp thụ qua con đường hơ hấp (hít vào) phần cịn lại là do tiếp xúc
qua da. Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc và nồng độ phenol trong mơi
trường, hệ số hấp thụ trung bình là 35 m3/h. Các nghiên cứu khác trong môi trường lao
P

P

động, cũng cho thấy rằng phenol được hấp thụ qua con đường hô hấp là chủ yếu, tuy
nhiên sự hấp thụ do tiếp xúc qua da cũng rất lớn. Một nghiên cứu khác của
Ohtsuji và Ikeda (1972)[19] nghiên cứu mức độ hấp thụ phenol trong nhà máy
Bakelite trên các công nhân làm việc đây. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nồng độ
phenol hấp thụ trong phổi là tương đối cao (12,5mg/m3). Các nghiên cứu về con đường
P

P

hấp thụ của phenol qua con đường ăn uống tuy có ít hơn chưa có nhiều số liệu cụ thể
nhưng cũng rất được các nhà khoa học quan tâm, do các sản phẩm, nông sản khi tiếp
xúc với các mơi trường có phenol, theo chuỗi thức ăn sẽ vào cơ thể gây ngộ độc, ảnh
hưởng đến sức khỏe con người.
b. Sự phân bố phenol trong cơ thể sinh vật
Phenol sau khi hấp thụ vào cơ thể sẽ theo máu, hệ bạch huyết di chuyển phân bố
rộng khắp cơ thể. Các nghiên cứu về sự phân bố của phenol của Morrison [19] cho
thấy rằng phenol được phân bố chủ yếu trong máu, với hàm lượng phenol tiếp xúc là
khoảng 6,7 – 70 mg/kg, nồng độ máu được xác định ở các khoảng thời gian 5, 15, 30,
60 và 120 phút sau khi nhiễm độc. Thời gian phenol đạt mức cao nhất là 5 – 15 phút,

nồng độ dao động từ 0,3 – 0,8 mg/ml. Ngoài ra, phenol còn được phân bố ở nhiều bộ
phận khác của cơ thể người và động vật khi tiếp xúc, trong đó các bộ phận như gan,
phổi, thận cho thấy hàm lượng tích lũy phenol là khá cao.
c. Q trình chuyển hóa phenol trong cơ thể sinh vật
Con đường chuyển hóa phenol trong cơ thể sinh vật được mô tả trong hình 1.3
dưới đây.

Luận văn thạc sĩ

8

Ngành Cơng nghệ Mơi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hình 1.1. Cơ chế chuyển hóa của phenol trong cơ thể sinh vật[19]
Luận văn thạc sĩ

9

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Khi vào cơ thể phenol sẽ liên kết với sulfate và axit glucuronic, phenol có thể
liên kết trực tiếp hoặc là chất tham gia vào các phản ứng oxi hóa trong cơ thể. Với

hoạt động của enzyme isozyme cytochrome P450 2E1 sẽ chuyển hóa phenol thành các
sản phẩm khác nhau như hydroquinone, catechol. Các sản phẩm này có thể tiếp tục
được chuyển hóa bởi các hệ enzyme khác trong cơ thể trở thành trihydroxybenzen,
byphenoly, diphenoquinoes… là các chất độc cho cơ thể sinh vật.
Sự bài tiết loại bỏ phenol ra khỏi cơ thể sinh vật

d.

Các nghiên cứu cũng cho thấy rằng phenol dễ dàng được bài tiết và xu hướng ít
tích lũy. Phenol có thể được bài tiết ra khỏi cơ thế sinh vật theo nhiều con đường khác
nhau nhưng trong đó bài tiết bằng con đường nước tiểu là lớn nhất.
2. Tác động của phenol đến con người và động vật
U

Chúng ta có thể vơ tình tiếp xúc với phenol ở khắp nơi, từ môi trường làm việc,
nước uống hoặc thực phẩm bị ô nhiễm, hoặc từ việc sử dụng các sản phẩm tiêu dùng
có chứa phenol. Phenol được hấp thụ qua đường hô hấp, ăn uống và tiếp xúc qua da.
Khi hít phải phenol gây ho, cảm giác khó thở, chóng mặt, buồn nơn; tiếp xúc với
phenol qua da có thể gây bỏng nặng, gây tê, có thể dẫn đến co giật, hơn mê và chết.
Phenol gây kích thích, mắt mũi và da. Theo Viện an toàn nghề nghiệp và Y tế
Quốc gia (NIOSH) của Mỹ, nếu tiếp xúc với phenol ở nồng độ > 20 mg/m3, trong 10 h
P

P

làm việc sẽ là rất độc cho công nhân, những người trực tiếp làm việc trong môi trường
ô nhiễm đến 40 h/tuần. Phenol cũng rất độc với cá và sinh vật khác, nếu trong môi
trường nước biển có nồng độ phenol 0,1 – 1,0 ppm. Phenol là một độc chất phổ biển,
nó có thể ăn mịn, phá hủy các tế bào, mô của sinh vật sống khi tiếp xúc. Nó gây tê
cục bộ, vì vậy khi tiếp xúc ban đầu da không cảm giác đau, nhưng theo thời gian vết

bỏng sẽ trở nên nghiêm trọng hơn, và chúng hấp thụ qua da vào máu và tích lũy trong
các bộ phận cơ thể, gây ra các triệu chứng ngộ độc, thậm chí tử vong. Nếu phenol tiếp
xúc với mắt có thể gây nên các tổn hại nghiêm trọng, thậm chí mù [8].
Về khía cạnh mơi trường, phenol và các dẫn xuất của nó được liệt vào các chất
thải nguy hại có tính độc bảng A. Phenol có mùi đặc trưng và độc tính mạnh, chúng có
khả năng ngưng tụ protein và làm bỏng nặng trên da. Khi tấn công vào các tế bào,
chúng gây sự đốt cháy mạnh ở tế bào vì tiêu thụ nhiều oxi, làm tê liệt tác dụng tổng
hợp các dãy nối photophonyl quan trọng trong q trình oxi hóa của cơ thể như ATP.
Luận văn thạc sĩ

10

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Những biểu hiện của triệu chứng nhiễm độc các loại phenol là chóng mặt, nơn mửa,
rối loạn tim mạch, hôn mê, nước tiểu trở nên xanh nhạt hoặc xám tro. Phenol còn ảnh
hưởng đến sự phát triển của thai nhi, gây ảnh hưởng đến trọng lượng và hệ thần kinh
của thai nhi. Sử dụng chất khử trùng hoặc thuốc bơi ngồi da có chứa phenol cho trẻ
sơ sinh có thể gây tử vong hay bệnh tật nghiêm trọng. Đó là do phenol gây ra sự biến
đổi hemoglobin của thai nhi thành methemoglobin làm mất khả năng vận chuyển oxi
trong máu, dẫn đến tử vong.
Do độc tính cao, phenol trong nước có tác động xấu đến mơi trường sống của
các loại thủy sinh và hạn chế sự phân hủy sinh học. Phenol và các dẫn xuất có thể gây
cho các loài cá mất phương hướng trong chuyển động, làm mất phản xạ trong điều
chỉnh cân bằng cơ thể và cuối cùng làm mất tính năng bơi trong nước, cá ngừng hô
hấp và chết.
Giá trị giới hạn hàm lượng tổng số của phenol khi thải ra môi trường được quy

định rõ trong các quy chuẩn Việt Nam, tùy thuộc vào nguồn thải và nguồn tiếp nhận
của nước thải.
Theo Quy chuẩn Việt Nam QCVN 24 : 2009/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật
Quốc gia về nước thải công nghiệp quy định giá trị giới hạn cho phép đối với hàm
lượng phenol trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn tiếp nhận là các nguồn
nước dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt là 0,1 mg/l. Còn đối với các nguồn nước
tiếp nhận khơng dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt thì hàm lượng phenol cho
phép có trong nước thải cơng nghiệp là 0,5 mg/l.
Để xử lý nước bị ô nhiễm các chất phenol, tùy theo yêu cầu, mục đích cụ thể
mà người ta có thể sử dụng một hay kết hợp nhiều phương pháp: cơ học, hóa học, lí
học, sinh học, oxi hóa...
Do độc tính và đặc tính khó phân hủy của phenol nên việc xử lý nước chứa
hàm lượng phenol cao bằng kĩ thuật sinh học rất khó, mặc dù phương pháp xử lí này
rẻ tiền và thân thiện với môi trường. Phương pháp xử lý sinh học chỉ được đề xuất áp
dụng khi nồng độ phenol trong nước thải khoảng 50-70mg/l. Tuy nhiên, hầu hết các
nguồn nước thải đều chứa tổng hàm lượng phenol cao hơn nhiều so với giới hạn nói
trên. Do đó để xử lý hiệu quả loại nước thải này, người ta thường sử dụng bằng
phương pháp oxi hóa hóa học.
Luận văn thạc sĩ

11

Ngành Cơng nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
I.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA PHENOL
I.3.1. Các phương pháp sử dụng trong xử lý nước thải chứa phenol
I.3.1. 1. Q trình Ơxi hóa sinh học (Biological oxidation)

Q trình ơxi hóa sinh học là phương pháp xử lý dựa vào hoạt động của bùn
hoạt tính (Wiesmann và Putnaerglis, 1986; Givens et al., 1991)[16]. Đây là phương
pháp xử lý rất hiệu quả đối với các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy. Tuy nhiên, với nước
thải của các ngành cơng nghiệp có chứa nhiều chất ơ nhiễm hữu cơ khó phân hủy như
phenol, nitơ vịng thơm, các hợp chất béo phức tạp phương pháp này tỏ ra không hiệu
quả. Nguyên nhân là do các chất này những chất có độc tính cao, rất khó chuyển hóa.
Có hai phương pháp xử lý sinh học: xử lý hiếu khí và xử lý kỵ khí (Eckenfelder et al.,
1989; Wang, 1992)[16]. Phương pháp xử lý hiếu khí được sử dụng rộng rãi hơn nhờ
hiệu quả cao và vận hành đơn giản. Trong trường hợp dung dịch nước thải có nồng độ
phenol từ 50 – 100mg/l, phương pháp xử lý hiếu khí có thể xử lý hiệu quả. Đối với
một số nước thải như nước thải dệt nhuộm là loại nước thải có chứa nhiều các hợp
chất hữu cơ khó phân hủy sinh học do đó thơng thường người ta thường kết hợp
phương pháp xử lý sinh học với một số phương pháp khác như đông tụ, keo tụ, tuyển
nổi để làm tăng hiệu quả xử lý. Hiện nay thì việc kết hợp hệ thống xử lý sinh học và
hóa học là phương pháp xử lý cho hiệu quả cao đối với các dịng thải của các ngành
cơng nghiệp chứa nhiều các hợp chất hữu cơ khó phân hủy [16].

Luận văn thạc sĩ

12

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
I.3.1.2. Các q trình oxi hóa hóa học (Chemical oxidation)
Ơxi hóa hóa học được định nghĩa là một q trình mà trong đó có sự trao đổi
electron từ chất này qua chất khác. Khả năng ơxi hóa của các chất khác nhau là khác
nhau, được thể hiện thơng qua thế oxi hóa khử của nó. Bảng 2.1 cho biết thế ơxi hóa

của một số chất ơxi hóa phổ biến (Beltrán et al., 1997; Munter et al., 2001) [16].
Bảng 1.3. Thế oxy hóa của các chất oxy hóa phổ biến [16]
Các loại chất oxy hóa
Thế oxy hóa (V)
Gốc hydroxyl (OH*)

2.80

Oxy ngun tử

2.42

Ozon

2.07

Hydrogen peroxide

1.77

Permanganate

1.67

Axit Hypobromous

1.59

Chlorine dioxide

1.50

Axit HypoChlorous

1.49

Axit Hypoiodous

1.45

Chlorine

1.36

Bromide

1.09

Iodine

0.54

P

P

Ơxi hóa hóa học là một trong những phương pháp hiệu quả có thể xử lý được
các dịng thải chứa các chất hữu cơ khó phân hủy, các dịng thải sau xử lý có thể đạt
các tiêu chuẩn, quy chuẩn mơi trường trước khi thải ra môi trường tiếp nhận.
Phương pháp ôxi hóa cũng được cân nhắc như một giải pháp có hiệu quả kinh

tế, có thể lắp đặt kết hợp hệ thống xử lý sinh học để xử lý các hợp chất hữu cơ khó
hoặc khơng bị phân hủy sinh học. Quá trình này đạt tối ưu khi các hợp chất không
phân hủy sinh học bị khử với lượng chất ôxi hóa tối thiểu. Có thể nói rằng đây là
phương pháp phù hợp đối với những nguồn thải có tải lượng nhỏ. Cịn đối với những
nguồn thải có tải lượng lớn, phương pháp này địi hỏi một lượng lớn chất ơxi hóa, dẫn
đến chi phí xử lý cao. Trong trường hợp này, người ta thường lựa chọn các phương
pháp xử lý khác như hấp phụ (đối với dịng thải có nồng độ chất ô nhiễm cao) hoặc xử
lý sinh học (đối với dịng thải có nồng độ ơ nhiễm thấp). Bên cạnh tải lượng ô nhiễm,
Luận văn thạc sĩ

13

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
nồng độ ơ nhiễm của dịng thải cũng cần được xem xét trong q trình ơxi hóa học.
Đối với các hợp chất như phenol, nitrobenzene và một số dẫn xuất khác có nồng độ
trong khoảng 100 – 500mg/l có thể dễ dàng xử lý bằng ơxi hóa học. Với nồng độ cao
hơn, các phương pháp khác như hấp phụ chọn lọc hoặc đốt đạt hiệu quả cao hơn. Còn
đối với nồng độ thấp hơn, phương pháp hấp thụ hoặc ơxi hóa sinh học thường được áp
dụng.
Nhìn chung, có thể thấy rằng phương pháp ơxi hóa hóa học có thể được chia
thành 2 loại sau:
1. Phương pháp hóa học thơng thường
Phương pháp xử lý hóa học thơng thường là phương pháp sử dụng các tác nhân
ơxy hóa thơng thường để ơxy hóa các chất ơ nhiễm trong nước. Một số tác nhân ơxy
hóa thường được sử dụng rộng rãi như sau:
Clo: là một hóa chất tẩy trùng rất hiệu quả, các nguồn cung cấp clo hoạt

-

tính là Cl 2 , CaOCl 2 , NaClO, Ca(ClO) 2 ... Đây là một chất ơxy hóa mạnh, sử dụng đơn
R

R

R

R

R

R

giản và rẻ tiền và không tạo bùn.
-

Kali penmaganat: là một chất ôxy hóa được sử dụng rộng rãi trong nhiều

thập kỷ qua. Nó có thể được đưa vào hệ thống xử lý ở dạng rắn hoặc dạng hòa tan.
Đây là một chất ơxy hóa mạnh và có thể hoạt động trong khoảng pH rộng.
-

Ôxy: trong điều kiện nhiệt độ và pH bình thường, phản ứng của các hợp

chất hữu cơ với ôxy không xảy ra. Phản ứng này chỉ xảy ra trong điều kiện nhiệt độ và
áp suất cao. Đây là một tác nhân ơxy hóa khơng mạnh và địi hỏi đầu tư lớn về thiết
bị. Tuy nhiên chi phí vận hành thấp nên đây là một phương pháp được sử dụng khá

phổ biến.
-

H 2 O 2 : là một chất ôxy hóa được sử dụng trong nhiều hệ thống xử lý, có thể
R

R

R

R

sử dụng trực tiếp hoặc cùng với chất xúc tác. Chất xúc tác thường được sử dụng là
FeSO 4 (thường được gọi là Fenton). Các muối sắt khác cũng thường được sử dụng.
R

R

Một số kim loại khác cũng có thể sử dụng làm xúc tác như Al3+, Cu2+. Phương pháp
P

P

P

P

sử dụng H 2 O 2 làm chất ôxy hóa có một số ưu điểm như sau:
R

R

R

R

+ H 2 O 2 là chất ơxy hóa rẻ tiền thường được sử dụng cho xử lý nước cấp.
R

R

R

R

+ Là chất có khả năng ơxy hóa mạnh.

Luận văn thạc sĩ

14

Ngành Cơng nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường
+ Dễ dàng sử dụng.

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

+ Hòa tan trong nước

+ Khơng tạo ra các sản phẩm phụ có tính độc hoặc có màu.
- Ozon: là một chất ơxy hóa mạnh và có nhiều ưu điểm tương tự như H 2 O 2 .
R

R

R

R

O 3 sử dụng hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau như khử màu, tẩy trùng, khử
R

R

mùi, vị, khử Mg và các hợp chất hữu cơ. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu
chuẩn, O 3 ít hịa tan trong nước và ở trạng thái không ổn định và chỉ tồn tại trong vài
R

R

phút. Do đó, cần phải có lượng O 3 trong mơi trường phản ứng lớn hơn lượng O 3 cần
R

R

R

R

dùng .
2. Q trình ơxy hố nâng cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs)
T
1

Các q trình oxi hóa nâng cao được định nghĩa là những q trình phân hủy oxi
T
1

hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl OH* được tạo ra tại chỗ (in situ) ngay
trong quá trình xử lý. Gốc hydroxyl là một trong những tác nhân oxi hóa mạnh nhất
được biết từ trước đến nay, có khả năng phân hủy không chọn lọc đối với mọi hợp
chất hữu cơ, dù là loại khó phân hủy nhất, biến chúng thành các hợp chất vơ cơ (cịn
gọi là khống hóa) khơng độc hại như CO 2 , H 2 O, các axít vơ cơ… Từ các tác nhân
R

R

R

R

oxi hóa thơng thường như hydrogen peroxide, ozone… có thể nâng cao khả năng oxi
hóa của chúng bằng các phản ứng khác nhau để tạo ra gốc hydroxyl, thực hiện q
trình oxi hóa gián tiếp thơng qua gốc hydroxyl. Vì vậy các q trình này được gọi là
các q trình oxi hóa nâng cao.
Các q trình oxi hóa nâng cao nổi lên như một loại cơng nghệ tiên tiến có vai
T
1

trị quan trọng trong việc đẩy mạnh q trình oxi hóa, giúp phân hủy nhiều loại chất
hữu cơ ô nhiễm khác trong môi trường. Các q trình oxi hóa nâng cao rất thích hợp
và đạt hiệu quả cao trong để phân hủy các hợp chất hydrocarbon halogen hóa
(trihalomethane, trichloroethane, trichloroethylene…), hydrocabon vịng thơm
(benzene, toluene, ethylbenzene, xylen…), PCBs, nitrophenol, các hóa chất bảo vệ
thực vật, dioxine và furans, thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt… Ngoài ra, do tác
T
1

T
1

dụng ơxi hóa cực mạnh của chúng hơn so với các tác nhân diệt khuẩn truyền thống
(các hợp chất của clo) nên các gốc hydroxyl ngoài khả năng tiêu diệt triệt để các vi
khuẩn thông thường như Escherrichia Coli, Coliform cịn diệt được

Luận văn thạc sĩ

15

Ngành Cơng nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

các tế bào vi khuẩn và virus gây bệnh mà clo không thể diệt được như
T
1

Campylobater, Tersina, Mycobacteria, Legionella, Cryptosporidium… Mặt khác, khử
trùng bằng gốc hydroxyl OH* rất an tồn so với khử trùng bằng Clo vì không sinh ra
các sản phẩm phụ gây ung thư và các chất hữu cơ chứa Clo như trihalomethane
(THM).

T
1

Do đó, các q trình oxi hóa nâng cao được xem như là một giải pháp mới ưu
việt có thể giải quyết được các vấn đề tồn tại của ngành nước từ trước tới nay, nó
được xem như là cơng nghệ xử lý nước của thế kỷ 21.
Theo Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ (USEPA) dựa theo đặc tính của q trình
có hay khơng có sử dụng nguồn năng lượng bức xạ tử ngoại UV có thể phân loại các
q trình oxi hóa nâng cao thành 2 nhóm như sau (bảng 1.4 – 1.5)
- Nhóm các q trình oxi hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng
(Advanced Non-photochemical Oxidation Processes – ANPO);
- Nhóm các q trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced
photochemical Oxidation Processes – AOP).
Bảng 1.4. Các q trình oxi hóa nâng cao khơng nhờ tác nhân ánh sáng [3]
TT
Tác nhân phản ứng
Phản ứng đặc trưng
Tên quá trình
1

H 2 O 2 và Fe2+

2

H 2 O 2 và O 3

3

O 3 và các chất xúc tác

4

R

R

R

R

R

R

R

R

P

R

R

R

H 2 O 2 + Fe2+ → Fe3+ + OH- + *HO

Fenton

H 2 O 2 + 2O 3 → 2*HO + 3O 2

Peroxon

R

R

R

R

R

R

R

P

R

P

R

P

P

R

P

P

R

cxt
3O 3 + H 2 O 
→ 2*HO + 4O 2
R

R

R

R

R

nldh
H 2 O và năng lượng điện hóa H 2 O 
→ *HO + *H

R

R

R

R

Catazon
Oxi hóa điện
hóa

5

H 2 O và năng lượng siêu âm
R

R

nlsa
H 2 O →
*HO + *H
R

R

Siêu âm

(20- 40 kHz)
6

H 2 O và năng lượng cao
R

R

nlc
H 2 O 
→ *HO + *H (1-10 Mev)
R

R

Bức xạ năng
lượng cao

Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng là các quá trình nhờ
năng lượng bức xạ tia cực tím UV, bao gồm các q trình được trình bày ở bảng 1.5.
Luận văn thạc sĩ

16

Ngành Công nghệ Môi trường


Viện khoa học và Công nghệ Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Bảng 1.5. Các q trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng [3]

TT Tác nhân phản ứng
Phản ứng đặc trưng
Tên quá trình
1

H 2 O 2 và năng lượng
R

R

R

R

photon UV
2

O 3 và năng lượng
R

R

photon UV
3

4

hv
H 2 O 2 
→ 2*HO

R

R

R

hv
O 3 + H 2 O 
→ 2*HO
R

R

R

O 2 ( λ = 253,7 nm)

R

R

R

H 2 O 2 /Fe3+ và năng
R

R

R

R

P

P

lượng photon UV

R

R

( λ = 253,7 nm)

lượng photon UV

R

R

UV/O 3

R

H 2 O 2 +O 3 + H 2 O

R

R

( λ = 220 nm)

H 2 O 2 /O 3 và năng
R

UV/H 2 O 2

R

R

R

R

R

R

R

R

R

hv

→ 4*HO +

R

UV/H 2 O 2 + O 3
R

R

R

R

R

R

hv
Fe3++H 2 O 
→ *HO +Fe2++ H+
P

P

R

R

P

P

Quang Fenton

P

hv
Fe2+ + H 2 O 2 
→ Fe3++ OHP

P

R

R

R

R

P

P

P

+*HO
P

5

TiO 2 và năng lượng
R

R

photon UV

hv
TiO 2 
→ e- + h+
R

R

P

P

Quang xúc tác

P

( λ > 387,5 nm)

bán dẫn

h+ + H 2 O → *HO + H+
P

P

R

R

P

h+ + OH- → *HO + H+
P

P

P

P

P

3. Những hạn chế của q trình oxi hóa hóa học bằng các tác nhân oxi hóa
thơng thường
Các q trình ơxi hóa sử dụng các tác nhân ơ xi hóa thơng thường như clo, Kali
permanganat (KMnO 4 ), Hidrogen peroxyt (H 2 O 2 ), ozon được sử dụng khá rộng rãi
R

R

R

R

R

R

trong ngành nước nói chung và xử lý nước thải nói riêng trong nhiều thập kỷ qua. Bên
cạnh những lợi ích to lớn mà nó mang lại thì vẫn cịn nhiều hạn chế việc sử dụng các
tác nhân oxi hóa này.
Clo là chất oxi hoá hoá học tốt được sử dụng để khử Fe2+ trong nước ngầm
P

P

hoặc nước mặt, trong khử trùng nước sau xử lý. Vì clo là chất oxi hoá tương đối
mạnh, rẻ tiền và dễ sử dụng nên được dùng rất phổ biến. Tuy vậy, nhược điểm chính
của clo là trong quá trình khử sắt và khử trùng bằng clo đã tác dụng với các chất hữu
cơ trong thiên nhiên (NOM), tạo ra những phụ phẩm là các chất hữu cơ chứa clo
(THM), đây là những hợp chất hữu cơ có tính độc cao, ảnh hưởng nghiêm trọng tới
mơi trường và sức khỏe của người sử dụng. Ngồi ra, clo chỉ có khả năng khử trùng

Luận văn thạc sĩ

17

Ngành Công nghệ Môi trường