Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu xử lý Phenol bằng mô hình quang xúc tác ánh sáng mặt trời sử dụng vật liệu Nano TiO2

Chia sẻ: Matroinho | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:92

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận văn "Nghiên cứu xử lý Phenol bằng mô hình quang xúc tác ánh sáng mặt trời sử dụng vật liệu Nano TiO2" nhằm mô hình quang xúc tác cải tiến: Tăng được cường độ ánh sáng mặt trời, tăng được tính linh động và thời gian tiếp xúc của vật liệu với đối tượng cần xử lý; Tìm được các thông số vận hành tối ưu cho mô hình; Làm giảm được Phenol trong dung dịch giả định bằng mô hình Quang xúc tác mặt trời sử dụng vật liệu nano TiO2.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu xử lý Phenol bằng mô hình quang xúc tác ánh sáng mặt trời sử dụng vật liệu Nano TiO2

UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT _________________ LÊ DUY KHÁNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHENOL BẰNG MÔ HÌNH QUANG XÚC TÁC ÁNH SÁNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO TiO2 CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 84440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ BÌNH DƯƠNG - NĂM 2019
UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT LÊ DUY KHÁNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHENOL BẰNG MÔ HÌNH QUANG XÚC TÁC ÁNH SÁNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO TiO2 CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 8440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THỊ LIÊN THƯƠNG BÌNH DƯƠNG - NĂM 2019 i
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan: Đề tài này là công trình khảo sát thực sự của tôi trong đó phần kết quả của luận văn được trình bày là kết quả nghiên cứu thực sự của cá nhân. Các thông số và những số liệu, kết quả khảo sát được trình trong báo cáo này là hoàn toàn trung thực và chưa từng công bố dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu theo đúng yêu cầu. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình Học viên Lê Duy Khánh ii
Lời cảm ơn Được sự phân công theo quyết định số 1038/QĐ-ĐHTDM của Trường Đại học Thủ Dầu Một, và sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Liên Thương tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử lý Phenol bằng mô hình quang xúc tác ánh sáng mặt trời sử dụng vật liệu Nano TiO2.” Để hoàn thành khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thủ Dầu Một đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, các thầy cô giảng viên trong Khoa Khoa học Tự nhiên đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện ở trường Đại học Thủ Dầu Một. Xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Liên Thương đã tận tình, chu đáo hướng dẫn tôi thực hiện khóa luận này. Cám ơn các chuyên viên phòng thí nghiệm đã hỗ trợ tôi trong các công việc phục vụ đề tài này. Bình Dương, Ngày....tháng....năm Học viên (ký và ghi rõ họ tên) Lê Duy Khánh iii
Tóm tắt Đề tài trình bày nội dung nghiên cứu khả năng xử lý Phenol trong nước thải bằng mô hình quang xúc tác sử dụng vật liệu nano TiO 2. Đề tài đã xây dựng thành công mô hình quang xúc tác có cải tiến tăng cường độ ánh sáng hội tụ bằng máng parabol, tăng thời gian lưu bằng ống phản ứng dạng xoắn. Nghiên cứu sử dụng đối tượng Phenol trong nước (gọi tắt là dung dịch phenol) biết trước nồng độ làm đối tượng xử lý và khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của hệ : Thời gian phản ứng, hàm lượng nano TiO 2 sử dụng, nồng độ Phenol đầu vào, pH phản ứng tứ đó đưa ra đánh giá về khả năng xử lý Phenol của mô hình quang xúc tác ánh sáng mặt trời sử dụng vật liệu nano TiO 2, ngoài ra đề tài còn khảo sát và cho thấy được hai loại polymer trợ lắng anion và cation có khả năng loại vật liệu TiO2 ra khỏi dung dịch sau xử lý cho thấy tìm năng thu hồi vật liệu của phương pháp. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình đã vận hành từ các thông số tối ưu đã khảo sát là nồng độ 2gTiO2/L, pH 4, thời gian xử lý là 360 phút từ 9 giờ đến 16 giờ, mô hình đã làm giảm 0.91 mg phenol với 2g TiO2 trong 360 phút chiếu xạ bằng ánh sáng mặt trời đạt hiệu suất 45,33%. Hiệu suất loại vật liệu 76.15% đối với POLYMER ANINON (CONH 2[CH2- CH-]n và 86.58% với POLYMER CATION (C3H5ON). Từ khóa: mô hình quang xúc tác, quang xúc tác, TiO 2, Phenol. iv
MỤC LỤC Lời cam đoan .............................................................................................................. ii Lời cảm ơn ................................................................................................................. iii Tóm tắt ....................................................................................................................... iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... x MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................ 3 1.1 Hợp chất Phenol và dẫn suất. ............................................................................... 3 1.1.1 Tính chất vật lí và hóa học của các hợp chất Phenol ........................................ 3 1.1.2 Nguồn gốc, độc tính, ảnh hưởng, liều lượng cho phép của Phenol và dẫn xuất trong môi trường nước [8][5]. .................................................................................. 7 1.2.3 Thành phần tính chất một số loại nước thải chứa Phenol ................................. 8 1.2 Cơ sở Lý thuyết lựa chọn phương pháp xử lý .................................................... 13 1.2.1 Phương pháp xử lý thường được áp dụng để xử lý nước thải chứa Phenol [6]. .............................................................................................................................. 13 1.2.2 Vật liệu nano TiO2 và phương pháp quang xúc tác Nano Titandium dioxide (TiO2) .................................................................................................................... 20 Cơ chế quang xúc tác của TiO2 .............................................................................. 22 Ứng dụng ............................................................................................................... 23 1.2.3 Cơ sở thiết kế mô hình Quang xúc tác ............................................................ 26 Tối ưu hóa lượng năng lượng mặt trời cho quá trình quang hóa. ............................ 26 Các hệ thống quang xúc tác [16]. ........................................................................... 27 1.3 Các nghiên cứu trước liên quan ......................................................................... 32 1.3.1 Nghiên cứu ngoài nước ................................................................................. 32 1.3.2 Nghiên cứu trong nước.................................................................................. 33 CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................. 36 2.1 Chuẩn bị vật liệu nano TiO2 .............................................................................. 36 2.2 Phương pháp phân tích ...................................................................................... 37 2.3 Hóa chất và dụng cụ .......................................................................................... 40 2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu .................................................. 40 v
2.5 Bố trí thí nghiệm ............................................................................................... 41 2.5.1 Xây dựng mô hình Quang xúc tác cải tiến ..................................................... 41 2.5.2 Bố trí thí nghiệm đánh giá khả năng xử lý Phenol ......................................... 41 2.5.3 Khảo sát khả năng loại vật liệu ra khỏi dung dịch sau xử lý bằng chất trợ lắng Polymer ................................................................................................................. 44 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 45 3.1 Xây dựng mô hình quang xúc tác cải tiến sử dụng ánh sáng mặt trời ................. 45 3.3 Khảo sát điều kiện tối ưu cho mô hình quang xúc tác ........................................ 46 3.3.1 Khảo xác thời gian xử lý ............................................................................... 46 3.3.2 Khảo sát nồng độ dung dịch Phenol đầu vào ................................................. 49 3.3.3 Khảo sát hàm lượng vật liệu TiO2 sử dụng .................................................... 51 3.3.4 Khảo sát pH dung dịch đầu vào ..................................................................... 54 3.3.5 Khảo sát khả năng xử lý dung dịch Phenol với các điều kiện tối ưu .............. 56 3.4 Khả năng loại vật liệu ra khỏi dung dịch sau xử lý quang xúc tác bằng chất trợ lắng Polymer ............................................................................................................. 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 59 Kết luận................................................................................................................... 59 Kiến nghị ................................................................................................................ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 61 PHỤ LỤC BẢNG ..................................................................................................... 59 PHỤ LỤC HÌNH ....................................................................................................... 63 vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AOPs : Tiến trình oxy hóa nâng cao COD : Nhu cầu oxy hóa học EPA : Tổ chức bảo vệ môi trường EC50 : nồng độ gây hại 50% quần thể trong điều kiện thực nghiệm quan sát rõ ràng. LC50 : nồng đô gây chết 50% số cơ thể người hay động vật khi cơ thể đó được đưa vào một lượng nhất định chất độc. TOC : tổng cacbon hữu cơ TSS : tổng chất rắn lơ lững UV : tia cực tím WAO :oxy hóa ướt GDP: tổng thu nhập bình quân đầu người BVTV: bảo vệ thực vật VB: vùng cấm CB: vùng hóa trị vii
DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1 Quy trình sản xuất thước bảo vệ thực vật .................................................. 12 Hình 1. 2 Các dạng thù hình khác nhau của TiO 2 : (A) rutile, (B) anatase, (C) brookite [13] ............................................................................................................. 20 Hình 1. 3 Khối bát diện của TiO2 [13] ...................................................................... 21 Hình 1. 4 Quá trình quang xúc tác trên TiO 2 [3] ........................................................ 23 Hình 1. 5 Sơ đồ ứng dụng quang xúc tác của TiO2 .................................................... 24 Hình 1. 6 Ảnh hưởng của các thông số vật lý tới tốc độ phản ứng............................. 27 Hình 1. 7 Hệ thống đĩa phản ứng màng mỏng TiO2 .................................................. 28 Hình 1. 8 Hệ thống quang xúc tác sử dụng chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời ................................................................................................................................. 28 Hình 1. 9 Hệ thống quang xúc tác máng parabol ....................................................... 29 Hình 1. 10 Hệ thống quang xúc tác Double skin sheet .............................................. 29 Hình 1. 11 Mô hình ngưng nước ngọt từ nước biển bằng ánh sáng mặt trời .............. 30 Hình 1. 12 Mô hình kết hợp xử lí sinh học hiếu khí với quang xúc tác TiO 2 -UV ..... 31 Hình 1. 13 Mô hình chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời giá rẻ ........................ 32 Hình 2. 1 Xử lý vật liệu bằng sóng siêu âm............................................................... 37 Hình 2. 2 Kết tủa sua khi xử lý bằng sóng siêu âm .................................................... 37 Hình 2. 3 Sắc ký đồ dung dịch Phenol ...................................................................... 38 Hình 2. 4 Sắc ký đồ nền ............................................................................................ 38 Hình 2. 5 Đường chuẩn Phenol ................................................................................. 39 Hình 2. 6 Đường chuẩn COD ................................................................................... 39 Hình 2. 7 Mô hình quang xúc tác cải tiến sử dụng ánh sáng mặt trời......................... 41 Hình 3. 1 Mô hình quang xúc tác cải tiến sử dụng ánh sáng mặt trời thực tế ............ 45 Hình 3. 2 Cấu tạo mô hình ....................................................................................... 46 Hình 3. 3 Mức năng lượng mặt trời trong thí nghiệm khảo sát thời gian phản ứng ... 47 Hình 3. 4 Nồng độ Phenol trong dung dịch theo thời gian ........................................ 48 Hình 3. 5 Hiệu suất xử lý Phenol theo thời gian ....................................................... 48 Hình 3. 6 Mức năng lượng mặt trời trong thí nghiệm khảo sát nồng độ Phenol đầu vào............................................................................................................................ 49 Hình 3. 7 Khả năng xử lý dung dịch Phenol theo nồng độ Phenol đầu vào ............... 50 Hình 3. 8 Hiệu suất xử lý Phenol theo nồng độ đầu vào ........................................... 51 Hình 3. 9 Mức năng lượng mặt trời trong khảo sát hàm lượng TiO 2......................... 52 Hình 3. 10 Khả năng xử lý Phenol theo hàm lượng vật liệu TiO2 ............................. 53 Hình 3. 11 Hiệu suất xử lý Phenol theo hàm lượng vật liệu TiO2 ............................. 53 Hình 3. 12 Mức năng lượng mặt trời trong nghiệm thức khảo sát pH ....................... 54 Hình 3. 13 Nồng đô Phenol theo pH dung dịch đầu vào ........................................... 55 Hình 3. 14 Hiệu suất xử lý theo pH .......................................................................... 56 Hình 3. 15 Mức năng lượng mặt trời trong khảo sát với các điều kiện tối ưu ........... 57 viii
Hình 3. 16 Khả năng loại vật liệu ra khỏi dung dịch sau xử lý quang xúc tác bằng chất trợ lắng Polymer ....................................................................................................... 58 Hình 4. 1 Sơ đồ quy trình xử lý bằng quang xúc tác đề xuất ..................................... 60 ix
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1 Tính chất vật lý của một vài hợp chất Phenol .............................................. 4 Bảng 1. 2 Giá trị giới hạn cho phép của tổng nồng độ Phenol và dẫn suất ................... 8 Bảng 1. 3 Các chất gây ô nhiễm và đặc tính của nước thải ngành dệt- nhuộm ........... 10 Bảng 1. 4 Năng lực oxy hóa ...................................................................................... 14 Bảng 1. 5 Hằng số tốc độ phản ứng (k, M 1S-1) của ozon so với gốc *OH ................. 14 Bảng 1. 6 So sánh giá hoạt động của một vài quá trình AOP .................................... 18 Bảng 1. 7 Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO2 [13]........................ 21 Bảng 1. 8 Sản lượng TiO2 trên thế giới qua một số năm: .......................................... 23 Bảng 2. 1 Dung dịch chuẩn Phenol theo các mức nồng độ ........................................ 38 Bảng 2. 2 Đường chuẩn COD ................................................................................... 39 Bảng 2. 3 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng xử lý ............................................ 42 Bảng 2. 4 Ảnh hưởng của nồng độ Phenol đầu vào đến khả năng xử lý .................... 42 Bảng 2. 5Ảnh hưởng của nồng độ TiO2 đến khả năng xử lý...................................... 43 Bảng 2. 6 Ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý ..................................................... 44 Bảng 2. 7 Ảnh hưởng của loại Polymer đến khả năng lắm của vật liệu xúc tác ......... 44 Bảng 3. 1 Nồng độ dung dịch Phenol sau khi xử lý theo thời gian ............................ 47 Bảng 3. 2 Kiểm định ANOVA đơn yếu tố cho yếu tố thời gian................................. 47 Bảng 3. 3 Nồng độ dung dịch Phenol sau xử lý theo nồng độ dung dịch Phenol đầu vào............................................................................................................................ 50 Bảng 3. 4 Kiểm định ANOVA đơn yếu tố cho yếu tố Nồng độ Phenol đầu vào ........ 50 Bảng 3. 5 Nồng độ dung dịch Phenol sau xử lý theo khối lượng TiO 2....................... 52 Bảng 3. 6 Kiểm định ANOVA đơn yếu tố cho yếu tố Nồng độ Phenol đầu vào ........ 52 Bảng 3. 7 Nồng độ dung dịch Phenol sau xử lý theo pH ........................................... 55 Bảng 3. 8 Kiểm định ANOVA đơn yếu tố cho yếu tố Nồng độ Phenol đầu vào ........ 55 x
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài Các chất ô nhiễm khó phân hủy sinh học tồn tại trong nước và nước thải luôn là vấn đề hàng đầu trong ngành xử lý nước nói riêng và công cuộc bảo vệ duy trì và giữ gìn nguồn tài nguyên nước nói chung. Việc tìm kiếm các giải pháp hữu hiệu nhằm loại bỏ các chất ô nhiễm này đã trở thành thách thức với các nhà khoa học. Phenol và dẫn xuất của phenol là một trong những loại chất thải hữu cơ độc hại khó xử lý. Nó có mặt trong nước thải của quá trình sản xuất nhựa phenolphomanderhit, dược phẩm, thuốc trừ sâu, công nghiệp dệt… Phenol có ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người ngay cả ở nồng độ thấp, nó là tác nhân tiềm ẩn gây ung thư[4]. Việc xử lý đạt hiệu quả kéo theo nhiều vấn đề cần phải quan tâm: hiệu quả xử lý phải cao, ít phát sinh sản phẩm phụ nhất có thể, dễ tiếp cận và phải tiết kiệm chi phí và năng lượng. Các quá trình oxy hóa nâng cao (advanced oxidation procrsses) đặc biệt là quá trình quang xúc tác sử dụng các loại vật liệu kích cỡ nano hiệu nay đang thu hút sự tập trung nghiên cứu của nhiều nhà công nghệ và đầu tư công nghệ. Có rất nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng Titan dioxit (TiO2) có khả năng xử lý chất hữu cơ khó phân hủy rất tốt dưới sự xúc tác của ánh sáng vùng UV tuy nhiên hiệu xuất rất thấp. Và cũng nhiều nghiên cứu nhằm tăng hiệu suất của quá trình bước đầu đã cho thấy một số kết quả khả quan. Tuy nhiên các nghiên cứu chỉ nằm ở mức nghiên cứu cơ bản nên để ứng dụng phát triển thành công nghệ cần có thêm nhiều sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Đề tài luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu xử lý Phenol bằng mô hình quang xúc tác ánh sáng mặt trời sử dụng vật liệu Nano TiO2 ” được thực hiện nhằm đánh giá khả năng xử lý Phenol bằng phương pháp Quang xúc tác và bước đầu ứng dụng phương pháp hình thành mô hình xử lý quy mô phòng thí nghiệm. 1
Mục tiêu nghiên cứu - Mô hình quang xúc tác cải tiến: Tăng được cường độ ánh sáng mặt trời, tăng được tính linh động và thời gian tiếp xúc của vật liệu với đối tượng cần xử lý. - Tìm được các thông số vận hành tối ưu cho mô hình - Làm giảm được Phenol trong dung dịch giả định bằng mô hình Quang xúc tác mặt trời sử dụng vật liệu nano TiO2. - Loại được vật liệu ra khỏi dung dịch sau xử lý Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng: Ứng dụng TiO2 để xử lý Phenol trong nước thải Phạm vi nghiên cứu: + Không gian: Thiết kế mô hình và vận hành tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Thủ Dầu Một. + Thời gian : từ tháng 7/2018 đến tháng 6/2019 Nội dung thực hiện - Xây dựng mô hình Quang xúc tác cải tiến; - Khảo sát các thông số tối ưu vận hành mô hình sử dụng vật liệu TiO 2 để xử lý Phenol; - Khảo sát khả năng loại vật liệu xúc tác ra khỏi dung dịch bằng polymer trợ lắng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Bước đầu đưa phương pháp Quang xúc tác sử dụng ánh sáng mặt trời xử lý nước vào ứng dụng thực tế: các điều kiện ảnh hưởng được kiểm soát phù hợp, tối ưu khả năng tập trung ánh sáng mặt trời, vật liệu được xử lý bằng phương pháp đơn giản dễ dàng áp dụng quy mô lớn, tối ưu được về chi phí trên hiệu suất xử lý của phương pháp. Áp dụng xử lý được cho các loại nước thải có tính chất tương tự. - Cung cấp dữ liệu nền cho các nghiên cứu tiếp hoặc triển khai thành quy trình công nghệ. 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Hợp chất Phenol và dẫn suất. Phenol và dẫn xuất của phenol là một trong những loại chất thải hữu cơ độc hại khó xử lý. Nó có mặt trong nước thải của quá trình sản xuất nhựa phenolphomandehit, dược phẩm, thuốc trừ sâu, công nghiệp dệt… Phenol có ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người ngay cả ở nồng độ thấp, nó là tác nhân tiềm ẩn gây ung thư[5]. Phenol và hợp chất rất đa dạng, có nhiều dẫn suất phụ thuộc vào nhóm thế gắn lên vòng thơm của Phenol. Theo Tổ chức bảo vệ môi trường của Mỹ - (EPA) [19] hiện nay có 11 hợp chất Phenol gây ô nhiễm mô trường chủ yếu là : 4-Cloro-4-Methylphenol, 2-Clorophenol, 2,4-Diclorophenol, 2,4-Dimethylphenil, 2,4-Dinitrophenol, 2-Methyl-4,6- Dinitrophenol, 2-Nitrophenol, 4- Nitrophenol, Pentaclorophenol, 2,4,6 Triclorophenol và Phenol. Ngoài ra còn nhiều dẫn suất họ Phenol khác như: Pyrocatechol, Resorcinol, 3- NitroPhenol, 1,3-Diclorophenol, 2,3,4,6-Tetraclorophenol… Các dẫn suất học Phenol đều rất độc, chỉ một lượng rất nhỏ trong nước (> 1ppb) cũng đã ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người cũng như các loài sinh vật sống trong môi trường nước. Khi nồng độ của Phenol và các dẫn suất nhỏ hơn 1ppb tuy có độc tính thấp nhưng cũng ảnh hưởng nhiều đến mùi vị, màu sắc của nước và đời sống của các loài sinh vật trong nước. 1.1.1 Tính chất vật lí và hóa học của các hợp chất Phenol a. Tính chất vật lý của hợp chất Phenol. Phenol có công thức phân tử là C6H5OH. Đa số các hợp chất Phenol tồn tại ở dạng rắn ở nhiệt độ phòng như Phenol, Nitrophenol, các dẫn xuất Clorophenol (gồm 2 nhóm thế -Cl trở lên) …, một số hợp chất Phenol khác tồn tại ở dạng lỏng như Cresol, mono-Clorophenol (gồm chỉ một nhóm thế -Cl). 3
Bảng 1. 1 Tính chất vật lý của một vài hợp chất Phenol Tính tan Khối Trạng Công thức phân Điểm Điểm trong STT lượng thái vật tử cháy sôi nước phân tử lý (200C) OH Chất lỏng 1 94 430C 1810C 9.3g/100g hoặc chất rắn C6H5OH Phenol OH Chất rắn 2 110,1 màu 1100C 1820C - OH vàng C6H4(OH)2 Resorcinol OH Chất rắn OH 3 110,1 màu 1050C 245.50C 43g/100g vàng C6H4(OH)2 Pyrocatechol OH Tinh thể 4 139,11 màu 1140C 279,00C - NO2 vàng C6H5NO3 p-notrophenol 4
b. Tính chất hóa học của các hợp chất Phenol Phenol là dẫn suất của Hydrocarbon thơm do sự thế của một nguyên tử -H trong nhân bằng một nhóm –OH. Tùy theo các nhóm thế gắn lên vòng hương phương của Phenol mà có các dẫn suất khác nhau. Hầu hết các hợp chất Phenol đều có tính acid. Các nhóm thế thường được gắn lên vòng hương phương của Phenol là: nhóm – Nitro, nhóm –Methyl hoặc nhóm –Cloro … Vòng hương phương của Phenol có thể gắn đồng thời nhiều nhóm thế giống hoặc khác nhau. Một vài loại phản ứng mà các hợp chất Phenol thường tham gia: - Phản ứng Eter hóa -H CH3Cl OH O - O-CH3 Phenol PhenylMethylEter - Phản ứng Ester hóa. CH3-CO-Cl OH OOC-CH3 + HCl Phenol Phenylacetate - Phản ứng tạo muối trong môi trường kiềm. OH +OH- O- + H2O Phenol Ion Phenolate - Phản ứng trên vòng hương phương như phản ứng Nitro hóa, Halogen hóa, Alkil hóa, Slfon hóa… Phản ứng Nitro hóa: MonoNitro hóa Phenol có thể thực hiện với acid Nitric loãng tại nhiệt độ phòng. NO2 HNO3 OH OH Phenol O-Notrophenol 5
Với acid Nitric đậm đặc, sự đa Nitro hóa Phenol tạo thành 2,4-6 Trinitrophenol. NO2 HNO3 OH O2N OH NO2 Phenol 2,4,6- Tribromophenol Phản ứng Alkil hóa: Phenol phản ứng với halogenuralkil với xúc tác là AlCl3 hoặc AlBr3 CH3 CH3Cl/AlCl3 OH OH + HCl Phenol o-Methylphenol Phản ứng Sunlfon hóa: Phenol dễ dàng cho phản ứng sulfon hóa tạo thành sản phẩm trí hóa orto hoặc para. Sản phẩn chính tùy thuộc vào điều kiện nhiệt đô phản ứng. SO3H 250C OH H2SO4 o- Sulfonphenol OH 1000C OH HO3S p-Sulfonphenol Phản ứng Oxid hóa. Các hợp chất Phenol dễ bị oxid hóa tạo thành các hợp chất Quinon như Benzoquinon. Tác nhân Oxid hóa có thể là oxi trong không khí. O2 OH O O + H 2O Phenol Benzoquinon [11] 6
1.1.2 Nguồn gốc, độc tính, ảnh hưởng, liều lượng cho phép của Phenol và dẫn xuất trong môi trường nước [8][5]. a. Nguồn gốc, độc tính và ảnh hưởng của các hợp chất Phenol và dẫn suất. Phenol và dẫn suất có trong các ngành công nghiệp như dệt, nhuộm, nhựa, thuốc, thuốc trừ sâu, chất chống oxi hóa, giấy, công nghệ dầu hỏa… Ngoài ra, hợp chất Phenol cũng được sinh ra tự nhiên do sự phân hủy của thực vật, các hợp chất hữu cơ… Hầu hết các hợp chất Phenol khi được thải ra từ các nhà máy đều đi vào môi trường nước. Chúng không những gây ô nhiễm môi trường sinh thái mà còn gây hại đến con người và các loài sinh vật sống trong nước. con người nếu tiếp xúc trong thời gian dài với các hợp chất Phenol có thể bị bệnh ung thư. Các kết quả nghiên cứu [38] cho thấy Phenol và dẫn xuất có độc tính cao. Giá trị LC50 (nồng đô gây chết 50% số cơ thể người hay động vật khi cơ thể đó được đưa vào một lượng nhất định chất độc) và EC50 (nồng độ gây hại 50% quần thể trong điều kiện thực nghiệm quan sát rõ ràng) đối với giáp xác và cá vào khoảng 3-7 mg/l. Những ảnh hưởng chính đến cơ thể con người gồm tác động đến tim, gây đau hệ hô hấp, gây nhiễm acid trong quá trình trao đổi chất, hỏng thận, sự tuần hoàn máu, ảnh hưởng hệ thần kinh… Liều thấp nhất có thể gây tử vong bằng đường tiêu hóa là khoảng 4.8 g và trong thời gian không quá 19 phút. Những triệu chứng do hít phải Phenol như chán ăn, giảm cân, nhứt đầu, chóng mặt… Các hợp chất Phenol rất dễ bị phân hủy khi để ở nhiệt độ phòng, trong môi trường tự nhiên (từ vài ngày đến một tuần) và oxy hóa rất nhanh dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Do vậy, trong quá trình xác định hay cất trữ, các hợp chất Phenol cần được bảo quản trong bình chứa xẫm màu, để trong môi trường kín và có nhiệt độ nhỏ hơn 40C. 7
b. Hàm lượng của Phenol và dẫn suất trong nước. Bảng 1. 2 Giá trị giới hạn cho phép của tổng nồng độ Phenol và dẫn suất Hàm lượng Phenol Đối tượng tổng (mg/l) Nước sinh hoạt 0.001 mg/l Nước dùng cho Nước bề mặt nông nghiệp và nuôi 0.02 mg/l trồng thủy sản Nước ngầm 0.001 mg/l Đổ vào các khu vực dùng làm nguồn nước ≤ 1mg/l cấp cho sinh hoạt Dùng làm nguồn Nước thải nước tưới tiêu, bơi lội, ≤ 2mg/l nuôi trồng thủy sản Không được phép ≥ 5mg/l đổ ra môi trường Theo điều luật 80/778/EC do cộng đồng Châu Âu ban hành thì hàm lượng Phenol tổng cộng được phép hiện diện trong nước uống là 0.5 µg/l và 0.1 µg/l cho mỗi chất. Theo QCVN 01:2009/BYT hàm lượng phenol và dẫn suất cho phép trong nước sử dụng để ăn uống là 1 µg/l. 1.2.3 Thành phần tính chất một số loại nước thải chứa Phenol Nước thải than cốc Ở Việt Nam chưa có thống kê hiện trạng ô nhiễm phenol trong dòng thải công nghiệp. Trong báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia hằng năm do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố thường chỉ tập trung vào một số các thông số ô nhiễm phổ biến trong môi trường nước như COD, BOD5, NH4+-N, dầu mỡ, tổng phốt pho, độ màu…mà chưa có thống kê mức độ ô nhiễm phenol trong các nguồn nước. Trong các nhà máy luyện than cốc, nước thải luyện cốc thường được thu gom để xử lý riêng hay nhập chung với các nguồn thải khác rồi đi vào hệ thống xử lý nước thải chung của nhà máy. Do đó có rất ít thông tin về thành phần ô nhiễm của loại nước thải này do nó chưa 8
phải là nước thải sau xử lý thải ra môi trường của các nhà máy. Theo kết quả quan trắc môi trường do Trung tâm Quan trắc và Công nghệ Môi trường Thái Nguyên, năm 2010 và Viện công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, năm 2004 cho thấy nước thải luyện cốc của Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên trước khi vào hệ thống xử lý có rất nhiều thông số có hàm lượng cao như BOD5 (98-421 mg/L), COD (625-5.038 mg/L), CN- (0,058-103 mg/L), NH4+-N (936- 2.556 mg/L), phenol (889-943 mg/L) và dầu mỡ lên tới 0,38-260 mg/L [12, 34]. Nước thải mang tính kiềm. Đặc biệt thông số phenol có hàm lượng lớn. Một số các chỉ tiêu khác như SS, S2- , tổng P, các kim loại nặng lại khá thấp. Nước thải của nhà máy sản xuất than cốc có chứa nhiều hơp ̣ chất hữu cơ khó phân hủy, đăc̣ biêṭ là phenol . Hàm lượng phenol trong nước dập cốc, nước thải của các nhà máy cốc thường rất cao (300-1500 mg/L). Nước thải của công đoạn dập cốc là nước có chứa nhiều các hơp ̣ chất hữu cơ khó phân hủy và chủ yếu là hỗn hợp hidrocacbon thơm, dị vòng thơm và dẫn xuất của chúng. Nước thải dệt nhuộm Vấn đề ô nhiễm chủ yếu trong công nghiệp dệt nhuộm là ô nhiễm nước thải. Các chất thải trong nước thải dệt nhuộm bao gồm: Các thành phần nguyên liệu (tạp chất thiên nhiên, muối, dầu, mỡ trong bông và len, xơ sợi), hóa chất, thuốc nhuộm còn tồn dư sau khi hoàn thành công đoạn nhuộm, in hoa và chất thải của các công đoạn phụ trợ. Mức độ ô nhiễm nước thải phụ thuộc vào công nghệ và các máy móc thiết bị trong dây chuyền công nghệ áp dụng. Các chất gây ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm được chia thành ba nhóm chính: Các chất độc với vi sinh và tôm cá gồm xút, natricabonat, axit vô cơ, các chất khử như natrisunfua và natrihidrosunfit, dung môi hữu cơ clo hóa, các dẫn suất phenol và diphenol, các hợp chất kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ hay dung môi. Các chất khó phân giải vi sinh gầm phần lớn thuốc nhuộm và chất tăng trắng quang học, các chất tạo phức, nhũ hóa, làm mềm, các chất hồ sợi, các chất giặt vòng thơm, ankylenoxit dài hay mạch nhánh ankyl. Các chất tương đối không độc và có thể phân giải vi sinh gồm xơ sợi và các tạp chất thiên nhiên của chúng, bột sắn không biến tính hóa học dùng để hồ sợi, các chất giặt ankyl mạch thẳng, axit axetic và axit fomic, muối trung tính nồng độ thấp. Các thông số đặc trưng cho tính chất nước thải dệt nhuộm gồm các thông sô vật 9