Phương pháp xử lý phenton

FENTON – LÀM SAO ĐỂ PHẢN ỨNG ĐẠT HIỆU QUẢ CAO

Nói về phản ứng fenton thì đây là một phản ứng khá quen thuộc đối với dân trong nghề khi phải xử lý nước thải có độ màu cao, chất hữu cơ khó phân hủy như trong nước thải dệt nhuộm, nước rỉ rác, nước thải chăn nuôi, nước thải sơn, xị mạ …

QUÁ TRÌNH FENTON:

Quá trình fenton tóm lại thì gồm 4 giai đoạn:
1. Tạo môi trường axit: 2 < pH < 5.
2. Phản ứng oxi hóa:
Chất xúc tác là Fe2+. Chất oxy hóa là H2O2. Có thể dùng chất oxy hóa khác cũng được, khi đó tên gọi quá trình sẽ khác đi đôi chút. Vì phản ứng fenton do ông Fenton nghĩ ra đầu tiên (1894) nên có tên gọi như vậy.
Fe2+ + H2O2 –> Fe3+ + OH* + OH-
OH* + CHC (CAO PHÂN TỬ) –> CHC (THẤP PHÂN TỬ) + CO2 + H2O + OH-
Thế oxy hóa của gốc OH* là 2,8V, còn cao hơn cả thế oxy hóa của ozon là 2,7 V, nên có thể phân hủy hoàn toàn các chất ô nhiễm trong nước thải.
Gốc tự do hydroxyl (OH*) có khả năng oxy hóa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxy hóa rất nhanh và không lựa chọn khi phản ứng với các hợp chất khác nhau. Các gốc hydroxyl này có thể tấn công vào cấc phân tử chất hữu cơ nhờ vào lực hút của nguyên tử hydro. Các gốc OH* khoáng hóa toàn bộ chất hữu cơ để tạo thành các hợp chất ít độc hại hơn, CO2, H2O.
3. Quá trình keo tụ Fe 3+ mới hình thành:
Fe3+ + 3 OH- –> Fe(OH)3
4. Quá trình lắng:
Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống làm giảm COD, màu trong nước thải. Sau quá trình lắng các chất hữu cơ còn lại (nếu có) trong nước thải chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp sẽ được xử lý bằng phương pháp sinh học.

Ngoài ra, còn có các quá trình khác như quá trình fenton đồng thể, dị thể, fenton điện hóa, fenton quang hóa. Quá trình fenton ở trên có thể được gọi là fenton truyền thống (cổ điển).

Nhiều bạn quan tâm có hỏi tại sao lý thuyết đọc thì thấy hiệu suất xử lý COD, màu của quá trình fenton đạt rất cao, trên 90 hay 97 % mà khi thực hiện thì không được như vậy?

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ

Các bạn chịu khó rà soát lại các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình fenton như:

1. Môi trường phản ứng: MT axit
Vì sao lại phải là môi trường axit các bạn có biết không?
Mặc dù trong MT axit rồi, tuy nhiên ở pH nào là tối ưu, có duy trì được pH tối ưu này không?
2. Liều lượng H2O2, Fe2+ đã phù hợp với tỷ lệ tối ưu theo nghiên cứu của từng đối tượng cần xử lý trong nước thải chưa?
Mỗi đối tượng sẽ có những tỷ lệ tối ưu khác nhau, muốn chính xác thì phải có kinh nghiệm hoặc thực hiện trong PTN.
3. Thời gian phản ứng đã đủ chưa?
Cái này tùy thuộc vào tải lượng chất ô nhiễm đầu vào và đầu ra mà bạn mong muốn.
4. Một yếu tố cũng nên để ý 1 chút, đó là nhiệt độ?
Nói là 1 chút vì hầu hết các ứng dụng của phản ứng fenton xảy ra ở nhiệt độ thường 20-40 độ C. Tốc độ phản ứng fenton tăng tỷ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ. Khi nhiệt độ trên 40 độ C, hiệu suất sử dụng của H2O2 giảm do sự phân hủy H2O2 tăng (tạo thành oxy và nước).

Mặc dù hiệu quả của quá trình fenton cao, tuy nhiên bên cạnh đó là nhược điểm mà bạn cần cân nhắc khi sử dụng nó, như:

1. Chi phí hóa chất cao
2. Chi phí xử lý bùn thải chứa sắt lớn

ỨNG DỤNG THỰC TẾ

Khi ra thực tế thì yếu tố kỹ thuật sử dụng là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của quá trình Fenton:

Hiệu quả quá trình fenton của bạn không cao bởi vì đâu?

Ví dụ đơn giản nhất là bạn xác định pH tối ưu cho phản ứng tiến hành bằng cách nào? lắp đặt pH controller ở vị trí nào để lấy được giá trị pH đáng tin cậy? Vì mỗi vị trí đầu bể, giữa bể, cuối bể hay ở các độ sâu khác nhau thì sẽ có 1 giá trị pH riêng.
Hay bạn thêm H2O2 và phèn sắt vào với liều lượng như thế nào? Khi nào thì biết thiếu phèn sắt hay H2O2 để bổ sung? Bạn thêm 1 lần hay thêm nhiều lần trong quá trình…
Còn rất nhiều kỹ thuật khác nữa mà bạn cần phải biết.

Hãy am hiểu quá trình fenton để sử dụng nó vừa đạt hiệu quả cao, vừa tiết kiệm được chi phí vận hành.

Để xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại có trong nước thải, người ta đã nghiên cứu và sử dụng rất nhiều phương pháp khác nhau. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng về mặt kỹ thuật. Bài viết hôm nay chúng tôi sẽ chia sẻ đến các bạn về vấn đề xử lý nước thải bằng phương pháp fenton. Phương pháp này đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu.

Nội dung

• Phương pháp Fenton là gì?
• Các giai đoạn xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton
  • Giai đoạn 1: Điều chỉnh độ pH phù hợp
  • Giai đoạn 2: Phản ứng oxi hóa
  • Giai đoạn 3: Trung hòa, keo tụ, đông tụ
  • Giai đoạn 4: Quá trình lắng
• Ứng dụng của Fenton trong xử lý nước thải
• Phản ứng Fenton trong xử lý nước thải
• Quy trình oxi hóa Fenton
• Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Fenton trong xử lý nước thải

Fenton là công nghệ oxy hoá chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học. Công nghệ này có khả năng khử màu hiệu quả. Quá trình Fenton dùng tác nhân là tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe2+ làm tác nhân oxy hóa. Thực tế đã chứng minh phương pháp này đem lại hiệu quả xử lý và kinh tế khá cao. 

Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là phải sử dụng nhiều hoá chất sau xử lý. Kéo theo chi phí xử lý khá cao. Do vậy chỉ nên sử dụng phương pháp Fenton để phân huỷ từng phần. Sau khi đã chuyển được các chất khó phân huỷ sinh học thành có khả năng phân huỷ sinh học. Chúng ta lại tiếp tục dùng các quá trình xử lý sinh học tiếp theo để tiết kiệm chi phí. 

THAM KHẢO THÊM:

• Tìm hiểu về cách xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí
• Một số phương pháp oxi hóa khử trong xử lý nước thải

Các giai đoạn xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton

Quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton xảy ra trong 4 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Điều chỉnh độ pH phù hợp

Độ Ph ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và nồng độ Fe2. Do đó sẽ ảnh hưởng đến tốc tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ. Độ pH thích hợp cho quá trình Fenton là từ 2 – 4, tối ưu là mức 2,8. 

Đã có nhiều nghiên cứu nhằm giảm thiểu khó khăn khi đưa pH về mức thấp. Sau đó pH lại được nâng lên mức trung tính để tách khử Fe, H2O2 dư. 

Tuy nhiên nếu dùng các chất xúc tác như: quặng sắt Goethite, cát có chứa sắt, Fe/TiO2, Fe/than hoạt tính, … thì quá trình này được gọi là Fenton dị thể. Độ pH phù hợp cho trường hợp này là từ khoảng từ 5 – 9.

Giai đoạn 2: Phản ứng oxi hóa

Giai đoạn này sẽ xảy ra sự hình thành gốc *OH hoạt tính và phản ứng oxy hoá hữu cơ. Hiện nay cơ chế hình thành gốc *OH chưa được thống nhất. Theo Fenton sẽ có phản ứng như sau:

Fe2+ + H2O2 —> Fe3+ +*OH +    OH–. 

Gốc *OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng oxi hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước thải.  Chúng sẽ chuyển chất hữu cơ từ dạng phân tử cao thành các chất hữu cơ phân tử thấp. 

CHC (cao phân tử) +  *HO   —>  CHC (thấp phân tử)   +  CO2 +  H2O  +   OH-

Giai đoạn 3: Trung hòa, keo tụ, đông tụ

Sau khi xảy ra quá trình oxy hoá thì chúng ta cần nâng độ pH >7. Để thực hiện việc kết tủa Fe3+ hình thành.

Fe3+   +  3OH– —>  Fe(OH)3.

Kết tủa Fe(OH)3 mới hình thành sẽ thực hiện các cơ chế keo tụ, đông tụ và hấp phụ một phần các chất hữu cơ.

Giai đoạn 4: Quá trình lắng

Đây là giai đoạn cuối của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton. Các bông keo sau khi hình thành sẽ được lắng xuống. Điều này giúp làm giảm màu, mùi, COD trong nước thải. Sau quá trình lắng các chất hữu cơ (nếu có) còn đọng lại trong nước thải thì cũng có khối lượng phân tử thấp. Chúng sẽ được xử lý bổ sung bằng các phương pháp sinh học khác.

XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHƯA BAO GIỜ ĐƠN GIẢN ĐẾN THẾ!

Công nghệ xử lý nước thải cùng hệ thống nhỏ gọn dễ dàng di chuyển tiện lợi. PH-EU Cam kết chất lượng nước thải sau Xử lý đạt chuẩn chất lượng Quốc Gia, nhận tư vấn 24/7

XEM NGAY

Ứng dụng của Fenton trong xử lý nước thải

Ứng dụng Fenton có sử dụng chất xúc tác FeSO4 được áp dụng rất phổ biến trong các ngành như:

• Xử lý nước thải công nghiệp: chứa nhiều chất độc hại chứa nhiều benzen, phenol  như: dệt nhuộm, lọc dầu, sản xuất sơn,…
• Khử mùi : Oxy hóa H2S, mercaptan, amine và aldehyde.
• Kiểm soát sự ăn mòn : Phân hủy dư lượng chlorine và hợp chất lưu huỳnh (thiosulfates, sulfites và sulfides) tạo ra các axit ăn mòn khi ngưng tụ trong thiết bị và bị oxy hóa bởi không khí.
  Khử BOD, COD: Oxy hóa các chất ô nhiễm gây ra BOD, COD, đối với những chất khó phân hủy có thể cần xúc tác.
• Oxy hóa chất vô cơ: Oxy hóa cyanide, NOx, SOx, nitrites, hydrazine, carbonyl sulfide, và các hợp chất lưu huỳnh (phần khử mùi).
• Oxy hóa chất hữu cơ: Thủy phân formaldehyde, cacbon disulfide (CS2), carbohydrat, photpho hữu cơ, các hợp chất nitơ, phenol, thuốc bảo vệ thực vật…
• Oxy hóa kim loại : oxy hóa sắt II, mangan, arsenic, selenium…để cải thiện khả năng hấp phụ , lọc hay kết tủa từ các quá trình xử lý nước và nước thải.
• Khử độc, cải thiện khả năng phân hủy sinh học : với xúc tác H2O2 phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành đơn giản hơn, ít độc hơn, dễ phân hủy sinh học hơn.
• Khử trùng: Giải phóng các bọt khí nhỏ phân tán, nâng cao hiệu quả khử loại các váng dầu mỡ trong hệ thống tuyển nổi.
  Cung cấp nguồn DO bổ sung tại chỗ cho quá trình xử lý sinh học, cải thiện hiệu quả đốt cháy và làm giảm nhiệt độ vận hành trong lò đốt…

Phản ứng Fenton trong xử lý nước thải

Đối với một số chất khó phân hủy, phản ứng Fenton đem lại hiệu quả xử lý vô cùng hiệu quả. Hyđro peroxyt phản ứng với sắt (II) sunfat sẽ tạo ra gốc tự do hyđroxyl có khả năng phá hủy các chất hữu cơ. Trong một số trường hợp nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn, một số chất hữu cơ sẽ chuyển hóa thành CO2 và nước.
Để quá trình fenton xảy ra cần có xúc tác và chất oxi hóa. Chất xúc tác có thể là muối sắt hai hoặc sắt ba còn chất oxy hóa là hyđro peroxit. Phản ứng tạo ra gốc tự do hyđroxyl diễn ra như sau:

Fe2+ + H2O2 > Fe3+ + OH- + OH.
Fe3+ + H2O2 -> Fe2+ + H+ + HOO.

2H2O2 > H2O + OH. + HOO.

Quy trình oxi hóa Fenton

Quy trình oxi hóa Fenton đồng thể gồm 4 giai đoạn:

• Điều chỉnh pH phù hợp: Trong các phản ứng Fenton, độ pH ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng và nồng độ Fe2+ , từ đó ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ, pH thích hợp cho quá trình là từ 2 – 4, tối ưu nhất là ở  mức 2. 8.

Đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm giảm thiểu khó khăn khi đưa pH về mức thấp rồi sau đó lại nâng pH lên mức trung tính để tách khử Fe, H2O2 dư. Nếu ta dùng các chất xúc tác khác như quặng sắt Goethite (a-FeOOH), cát có chứa sắt, hoặc sắt trên chất mang Fe/SiO2, Fe/TiO2, Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolit… thì quá trình này gọi là Fenton dị thể, pH thích hợp ở trường hợp này theo nghiên cứu cao hơn đồng thể, khoảng từ 5 – 9.

• Phản ứng oxi hóa: Trong giai đoạn phản ứng oxi hóa xảy ra sự hình thành gốc *OH hoạt tính và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ.

Cơ chế hình thành gốc *OH hiện nay chưa thống nhất, theo Fenton thì sẻ có phản ứng:

Fe2+ + H2O2 --> Fe3+  + *OH +OH–

Gốc *OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng ôxi hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước cần xử lý,  chuyển chất hữu cơ từ dạng cao phân thành các chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp.

CHC (cao phân tử) +  *HO   -->  CHC (thấp phân tử)   +  CO2 +  H2O  +   OH-

• Trung hòa và keo tụ: Sau khi xảy ra quá trình oxi hóa cần nâng pH dung dịch lên >7 để thực hiện kết tủa Fe3+ mới hình thành:

Fe3+  +  3OH-   --> Fe(OH)3.

Kết tủa Fe(OH)3 mới hình thành sẽ thực hiện các cơ chế keo tụ, đông tụ, hấp phụ một phần các chất hữu cơ chủ yếu là các chất hữu cơ cao phân tử

• Quá trình lắng: Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống khiến làm giảm COD, màu, mùi trong nước thải. Sau quá trình lắng các chất hữu cơ còn lại (nếu có) trong nước thải chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp sẽ được xử lý bổ sung bằng phương pháp sinh học hoặc bằng các phương pháp khác.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Fenton trong xử lý nước thải

• Nồng độ sắt:  Nếu không có sắt, gốc hydroxyl sẽ không được hình thành. Nồng độ tối ưu của sắt tùy thuộc vào từng loại nước thải.  Nếu không có sắt, sẽ không có sự hình thành gốc hydroxyl.
• Dạng sắt: thông thường người ta hay sử dụng  muối Fe2+ hay Fe3+ để làm chất xúc tác. Tuy nhiên, nếu lượng hệ chất Fenton thấp (dưới 10-25 mg/l H2O2) thì muối Fe2+ đem lại hiệu quả cao hơn.
• Nồng độ H2O2: Các gốc hydroxyl oxy hóa chất hữu cơ mà không phân biệt.
  Trong mỗi quá trình chuyển đổi trong chuỗi phản ứng này đều có tốc độ khác nhau. Khi liều lượng H2O2 bắt đầu tăng dần, sự khử COD có thể xảy ra với ít hoặc không có sự thay đổi độc tính cho đến khi đạt một ngưỡng mà trên ngưỡng đó, việc thêm H2O2 sẽ làm giảm nhanh chóng độc tính nước thải.
• Nhiệt độ: Hầu hết các ứng dụng của phản ứng Fenton xảy ra ở nhiệt độ 20-400C. Tốc độ phản ứng Fenton tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ, nhất là khi nhiệt độ nhỏ hơn 200C. Khi nhiệt độ lớn trên khoảng 40-500C, hiệu suất sử dụng của H2O2 giảm do sự phân hủy H2O2 tăng.
• pH: pH tối ưu của phản ứng Fenton trong khoảng 3-6 (tốt nhất là 4-4,5). Khi pH>6 thì hiệu quả xư lý giảm do  sự chuyển đổi của sắt từ ion sắt II thành dạng keo hydroxit sắt III. Khi pH nhỏ hơn 3, hiệu suất phản ứng cũng sụt giảm nhưng đỡ hơn.
• Thời gian phản ứng:  Thời gian cần thiết để hoàn thành một phản ứng Fenton phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đáng chú ý nhất là liều lượng xúc tác và nồng độ  ô nhiễm của nước thải. Đối với sự oxy hóa phenol đơn giản (<250 mg/l), thời gian phản ứng điển hình là 30-60 phút.

Đối với nguồn nước đậm đặc hơn, phản ứng có thể mất vài giờ. Trong trường hợp này, thực hiện phản ứng theo từng bậc (nhiều bước), thêm cả vừa sắt và H2O2 sẽ hiệu quả hơn, an toàn hơn là cho tất cả hóa chất vào ngay từ đầu.
Việc xác định điểm kết thúc phản ứng cũng khá khó khăn. Sự hiện diện của dư lượng H2O2 sẽ cản trở quá trình phân tích nước thải. Dư lượng H2O2 có thể bị khử bằng cách tăng pH đến 7-10, hoặc trung hòa với dung dịch bisulfite.

Trên đây là những thông tin chia sẻ về quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton. Nếu xí nghiệp, nhà máy của bạn đang gặp các vấn đề về xử lý nước thải. Hãy liên hệ với PH – EU chúng tôi qua hotline: 096 493 7777. Hoặc truy cập vào Website https://ph-eu.com.vn/ để được tư vấn!