Nghiên cứu phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm mới bằng phương pháp oxi hóa tiên tiến UV/NaClO

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm mới bằng phương pháp oxi hóa tiên tiến UV/NaClO được thực hiện với hệ UV/NaClO và UV/H2O2 trên nhiều đối tượng hợp chất ô nhiễm khác nhau, để qua đó có thể có cái nhìn bao quát về hiệu quả và khả năng ứng dụng của các hệ này trong xử lý các hợp chất hữu cơ ô nhiễm mới.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm mới bằng phương pháp oxi hóa tiên tiến UV/NaClO

NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM MỚI BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXI HÓA TIÊN TIẾN UV/NaClO Quản Cẩm Thúy*, Nguyễn Thị Lan Anh, Nguyễn Thị Phương Thùy, Bùi Thị Phương Thảo Khoa Kỹ thuật phân tích, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì * Email: q.thuy84@gmail.com Tóm tắt UV/NaClO - Quá trình oxy hóa tiên tiến (AOPs) được đánh giá hiệu quả hơn so với UV/H2O2. Quá trình so sánh tập trung vào khả năng xử lý các chất ô nhiễm của UV/NaClO. Như quá trình xử lý các chất ô nhiễm mới: Ibuprofen, Acetamiprid, Diclofenac, Fenuron, Desethylatrazine, Sulfamethoxazole, Carbamazepine, Benzotriazole, Iopamidole, Acetaminophen được tìm thấy ở nồng độ nhỏ nhất là 10µM trong nước. Kết quả cho thấy khả năng ứng dụng hệ UV/NaClO để xử lý nước và nước thải rất hiệu quả. Từ khóa: Quá trình oxy hóa tiên tiến, phân hủy, UV, NaClO, gốc tự do RESEARCH DECOMPOSITION OF ORGANIC COMPOUNDS POLLUTION BY USING NEW OXIDATION ADVANCED UV/NaOCl Abstract UV/NaClO - Advanced Oxidation Processes (AOPs) were assessed with varying process layout and compared to the UV/H2O2. The process comparison focused on the economical and energy saving potential of the UV/NaClO. As model compounds the emerging contaminants: Ibuprofen, Acetamiprid, Diclofenac, Fenuron, Desethylatrazine, Sulfamethoxazole, Carbamazepine, Benzotriazole, Iopamidole, Acetaminophen were degraded at initial compound concentrations of 10 µM in water. The results shown the possible effective application of UV/NaClO process in water and wastewater treatments. Keywords: Advanced Oxidation Processes, degradation, UV, NaClO, free radicals 1. MỞ ĐẦU Các quá trình oxi hóa tiên tiến (AOPs) tận dụng lợi thế của các gốc tự do hoạt tính cao mà chủ yếu là các gốc ●OH để thực hiện quá trình phân hủy các hợp chất độc hại hoặc các chất ô nhiễm khó phân hủy sinh học [1-3]. Một loạt các công nghệ AOPs đã được báo cáo là có thể sinh ra các gốc ●OH và được ứng dụng thành công trong xử lý nước. Hầu hết trong số này đều sử dụng quang phân UV kết hợp với các tác nhân oxy hóa mạnh như H2O2, Ozone, S2O82- [1,4]. Chỉ mới gần đây quang phân UV chlorine được đề xuất như là một phương pháp oxi hóa tiên tiến tạo ra gốc ●OH để ứng dụng trong xử lý nước [5,6]. Hiện tại UV/chlorine chỉ mới được nghiên cứu trên nhiều đối tượng đơn lẻ về tiềm năng hình thành các gốc 127
tự do mà chưa có những nghiên cứu ứng dụng hiệu quả sâu rộng trên nhiều loại đối tượng ô nhiễm độc hại. Ngoài ánh sáng UV thì các gốc tự do có thể được sinh ra theo nhiều phản ứng hóa học khác nhau. Các công nghệ mới ngày càng chỉ ra được nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra gốc ●OH và các công nghệ này thường phải tiêu thụ năng lượng và chi phí đầu tư đóng vai trò không nhỏ. Vấn đề chi phí xử lý được đặc biệt quan tâm nhất là trong lĩnh vực xử lý nước thải sinh hoạt. Đây là đối tượng có chứa nhiều các hợp chất ô nhiễm mới. Các hợp chất này phần lớn là các dược phẩm, hormone, thuốc trừ sâu, các chất ức chế ăn mòn, các hợp chất không phân hủy sinh học. Những hợp chất này bắt nguồn từ những hoạt động hàng ngày của con người và được tìm thấy rộng rãi trên hầu hết các nguồn nước mặt ở phạm vi toàn thế giới [7,8]. Các công nghệ phổ biến dùng để loại bỏ các hợp chất ô nhiễm mới chủ yếu là ozone, than hoạt tính, công nghệ màng thẩm thấu với chi phi đầu tư và xử lý rất cao. Công nghệ xử lý nước thải không được thiết kế để loại bỏ được các hợp chất ô nhiễm hữu cơ, do vậy sự hiện diện của những hợp chất này ở dòng sau xử lý của các nhà máy nước thải là điều hoàn toàn không bất ngờ. Nồng độ trung bình của các hợp chất này vào khoảng 0.1-5 µg/L [9,10]. Với nồng độ thấp này thì chưa có những cảnh báo cho người tiêu dùng tuy nhiên nếu các hợp chất này có mặt ở nồng độ cao hơn thì có thể gây ra những ảnh hưởng đến hệ nội tiết, do vậy chúng được coi là những hợp chất gây rối loạn nội tiết. Vì nước là một nguồn tài nguyên có giá trị cao nên sự hiện diện của các hợp chất ô nhiễm mới và sự phơi nhiễm lâu dài của người tiêu thụ nước với các hợp chất này đang trở thành một vấn đề lớn mà các nhà sản xuất nước đang muốn thay đổi. Một trong những công nghệ AOPs được ứng dụng nhiều nhất trong các nhà máy xử lý nước uống là UV/H2O2. Công nghệ này tuy đơn giản nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng do vậy đây được coi là một công nghệ có chi phí xử lý cao. Hiện tại việc nghiên cứu để tối ưu hóa và tìm ra những công nghệ mới thay thế vẫn đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm thực hiện. Xuất phát từ mục đích này nghiên cứu của chúng tôi được thực hiện với hệ UV/NaClO và UV/H2O2 trên nhiều đối tượng hợp chất ô nhiễm khác nhau, để qua đó có thể có cái nhìn bao quát về hiệu quả và khả năng ứng dụng của các hệ này trong xử lý các hợp chất hữu cơ ô nhiễm mới. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất Các hợp chất sử dụng trong nghiên cứu này được phân loại và trình bày trong bảng Bảng 1. Các hợp chất sử dụng trong nghiên cứu Tên chất Phân loại Ibuprofen Thuốc giảm đau, hạ sốt Acetamiprid Hóa chất bảo vệ thực vật 128
Diclofenac Thuốc chống viêm, giảm đau Fenuron Hóa chất bảo vệ thực vật Desethylatrazine Chất diệt cỏ Benzotriazole Chất chống ăn mòn Sulfamethoxazole Thuốc kháng sinh Iopamidole Chất cản quang Carbamazepine Thuốc chống co giật, trầm cảm Acetaminophen Thuốc giảm đau, hạ sốt 2.2. Thiết bị Các thí nghiệm xác định hiệu suất của quá trình phân hủy các hợp chất mục tiêu kể trên được thực hiện với đèn UV 254 nm (WTL 40W, 80W và 200W Siemens AG). Các mẫu thu được theo thời gian phản ứng sẽ được phân tích bằng phương pháp sắc ký lỏng khối phổ LC/MS. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phân hủy các hợp chất hữu cơ sử dụng NaClO Các thí nghiệm được thực hiện theo mẻ, dung dịch các chất hữu cơ được đưa vào bình phản ứng dung tích 4 L; nồng độ các chất hữu cơ mô hình đồng loạt là 10 µM , pH = 6,95. NaClO được thêm vào ở nồng độ (5 mg/L Cl2), khuấy trộn trong bóng tối (không có UV) trong thời gian 30 phút. Nồng độ các hợp chất hữu cơ ở thời điểm đầu và sau 30 phút được xác định bằng phương pháp LC/MS. Kết quả cho thấy chỉ có sulfamethoxazole bị phân hủy hoàn toàn sau 30 phút phản ứng. Hầu hết các hợp chất mô hình đều phân hủy không đáng kể khi không có sự chiếu xạ. 100 80 Hiệu suất phân hủy (%) 60 40 20 0 Hình 1. Hiệu suất phân hủy các hợp chất hữu cơ bằng clo gốc tự do 3.2. Phân hủy các hợp chất hữu cơ sử dụng H2O2 Một thí nghiệm tương tự được thực hiện với tác nhân oxi hóa là H2O2 (100 µg/L), không có chiếu xạ UV. Kết quả trên hình 2 cho thấy sau 1 giờ phản ứng hầu hết các hợp chất mô hình đều không bị phân hủy (hầu như không có sự biến đổi về nồng độ sau 1h so với nồng độ ban đầu) khi không có sự chiếu xạ UV. 129
100 80 Hiệu suất phân hủy (%) 60 40 20 0 Hình 2. Hiệu suất phân hủy các hợp chất hữu cơ bằng H2O2 3.3. So sánh các uá trình AOPs trong phân hủy các hợp chất hữu cơ Để có thể đánh giá được hiệu quả của một số các quá trình AOPs thông dụng trong việc ứng dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ mới, các hệ UV, UV/H2O2 được lựa chọn để so sánh với hệ UV/NaClO. Đây là những hệ đơn giản, được sử dụng hiệu quả trên nhiều loại đối tượng khác nhau. Kết quả so sánh hiệu quả của hệ UV/H2O2 (100 µg/L), UV/NaClO (100 µg/L) và dưới điều kiện chiếu xạ UV không có tác nhân oxi hóa được chỉ ra trong hình 3. Kết quả cho thấy quang hóa UV không có tác nhân oxy hóa hầu như không mang lại hiệu quả phân hủy như mong muốn. Hầu hết các hợp chất hữu cơ đều bị phân hủy mạnh khi có mặt 2 tác nhân oxi hóa là NaClO và H2O2. 100 UV/H2O2 UV/NaClO 80 UV Hiệu suất phân hủy (%) 60 40 20 0 Hình 3. So sánh các phương pháp AOPs, phân hủy các hợp chất hữu cơ: [Co]: 10 µM; [H2O2] :100 µM; [NaClO]: 100 µM Kết quả này chỉ ra rằng các hợp chất oxi hóa như NaClO, H2O2 đóng vai trò lớn vào việc nâng cao hiệu quả của quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ có sử dụng tác nhân ánh sáng UV. Hệ UV/NaClO là hệ cho hiệu quả phân hủy cao nhất trong hầu hết các hợp chất hữu cơ mô hình. Dựa trên các kết quả tính toán xét về mức độ hiệu quả và nhu cầu năng lượng sử dụng cho các hệ xử lý nêu trên (không được trình bày trong bài) ta có kết quả như sau: UV/NaClO > UV/H2O2 > UV. Xét về mức độ tiêu thụ năng lượng, hệ UV/NaClO giảm khoảng 30 - 75% so với hệ UV/H2O2 tùy vào từng hợp chất cụ thể. 130
Sự cải thiện hiệu suất phân hủy của hệ UV/NaClO so với hệ UV/H2O2 được cho là do các dạng clo gốc tự do cho hiệu quả sinh các gốc hoạt tính cao hơn nhiều so với H2O2. Hơn thế nữa trong trường hợp các tác nhân oxy hóa sử dụng ở nồng độ cao thì hệ sử dụng H2O2 còn có một hạn chế hơn nữa vì khả năng bắt giữ các gốc tự do của H2O2 (107 M-1s-1) lớn hơn nhiều so với các dạng Clo tự do (104- 105 M-1s-1). Do vậy các gốc tự do hoạt tính thay vì phản ứng với các chất mục tiêu lại bị bắt giữ bởi chính các tác nhân oxi hóa, dẫn đến làm giảm hiệu suất phân hủy của hợp chất hữu cơ cần quan tâm. 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ NaClO đến sự khoáng hóa của các hợp chất hữu cơ trong quá trình UV/NaClO Các thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá khả năng khoáng hóa các hợp chất hữu cơ của hệ UV/NaClO được thực hiện ở các nồng độ NaClO khác nhau. Thông số TOC (tổng cacbon hữu cơ) được theo dõi theo thời gian phản ứng. Thí nghiệm với UV đơn lẻ cũng được thực hiện để so sánh. Kết quả cho thấy trong suốt quá trình phân hủy các chất hữu cơ sử dụng UV/NaClO, tỷ lệ khoáng hóa tăng lên đáng kể từ 23,3% đến 44,7% khi liều Clo tăng lên từ 0,25 đến 2,5 mM. Kết quả này chỉ ra rằng quá trình oxi hóa tiên tiến UV/NaClO có thể cải thiện đáng kể sự khoáng hóa của các hợp chất hữu cơ đến sản phẩm cuối CO2 do sự hình thành của gốc tự do ●OH, Cl●, Cl2●-. Tuy nhiên, xu hướng của sự giảm TOC chậm lại theo thời gian phản ứng, có thể là do sự suy giảm của các gốc ●OH, Cl●, Cl2●-. Hình 4. Ảnh hưởng của nồng độ NaClO đến sự khoáng hóa của các hợp chất hữu cơ ([Co]: 10 µM; pH=7) 4. KẾT LUẬN Nghiên cứu này đã thực hiện được việc khảo sát so sánh khả năng oxi hóa của các hệ oxi hóa tiên tiến (UV, UV/H2O2, UV/NaClO) trên nhiều đối tượng hợp chất hữu cơ thuộc nhiều nhóm chất khác nhau. Kết quả cho thấy hệ UV/NaClO là hệ cho hiệu quả phân hủy cao nhất (UV/NaClO > UV/H2O2 > UV). 131
Với mục đích chứng minh tiềm năng của hệ UV/NaClO trong xử lý các hợp chất ô nhiễm hữu cơ mới nên nghiên cứu so sánh này được thực hiện ở một khía cạnh bao quát nhất. Bản chất của vấn đề: các nghiên cứu động học của phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng và khả năng hình thành các sản phẩm phụ của quá trình sử dụng UV/NaClO cần phải được tiến hành nghiên cứu sâu hơn trên từng đối tượng cụ thể. Để qua đó có thể kiểm soát và đánh giá được một cách chính xác nhất về khả năng và phạm vi ứng dụng của phương pháp này trong xử lý các hợp chất ô nhiễm hữu cơ mới. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. O. Legrini, E. Oliveros, A.M. Braun (1993), “Photochemical processes for water treatment”, Chemical Reviews, 93, 671-698 2. K.G. Linden, E.J. Rosenfeldt, S.W. Kullman (2007), “UV/H2O2 degradation of endocrine-disrupting chemicals in water evaluated via toxicity assays”, Water Science and Technology, 55 (12), 313-319. 3. U. Cernigoj, U.L. Stangar, P. Trebse (2007), “Degradation of neonicotinoid insecticides by different advanced oxidation processes and studying the effect of ozone on TiO2 photocatalysis”, Applied Catalysis B: Environmental, 75, 229-238. 4. G. Anipsitakis, D. Dionysiou (2003), “Degradation of organic contaminants in water with Sulfate radicals generated by the conjunction of peroxymonosulfate with cobalt”, Science & Technology, 37, 4790-4797. 5. B.G. Oliver, J.H. Carey (1977), “Photochemical production of chlorinated organics in aqueous solutions containing chlorinn”, Environmental Science and Technology, 11 (9),893-895. 6. R. Vogt, R.N. Schindler (1991), “Product channels in the photolysis of HOCl”, Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry, 66, 133-140. 7. D.W. Kolpin, Furlong, E.T. Meyer, M.T. Thurman, E.M. Zaugg, S.D. Barber, L.B. Buxton (2002), “Pharmaceuticals, hormones, and other organic wastewater contaminants in U. S. streams, 1999e2000: a national reconnaissance”, Environmental Science mand Technology, 36 (6), 1202-1211. 8. B. Kasprzyk-Hordern, R. Dinsdale, A.J. Guwy (2008), “The occurrence of pharmaceuticals, personal care products, endocrine disruptors and illicit drugs in surface water in South Wales”, UK. Water Research, 42 (13), 3498-3518. 9. M.J. Watts, K.G. Linden (2007), “Chlorine photolysis and subsequent ●OH radical production during UV treatment of chlorinated water”, Water Research, 41, 2871-2878. 10. J. Jin, Gamal El-Din, M. Bolton, J.R. (2011), “Assessment of the UV/Chlorine process as an advanced oxidation process”, Water Research, 45, 1890-1896. 11. G. Semard, A. BruchetCardinae ¨ l, J.P. Bouillon (2008), “Use of comprehensive two-dimensional gas chromatography for the broad screening of hazardous contaminants in urban wastewaters”, Water Science and Technology, 57 (12), 1983- 1989. 132