Quá trình oxy hóa nâng cao

Quá trình oxy hóa nâng cao AOP là một tập hợp các quy trình xử lý hóa học được thiết kế để loại bỏ các vật liệu hữu cơ (đôi khi vô cơ) trong nước và nước thải bằng cách oxy hóa thông qua các phản ứng với các gốc hydroxyl (gốc OH). Tuy nhiên, trong các ứng dụng xử lý nước thải, quá trình oxy hóa nâng cao thường đề cập đến một tập hợp các quá trình hóa học sử dụng ozone (O3), hydro peroxide (H2O2) và UV.

AOP dựa vào sản xuất tại chỗ của các gốc Hydroxyl phản ứng cao, phản ứng này trở thành chất oxy hóa mạnh nhất và có thể oxy hóa bất kỳ hợp chất nào trong nước. Gốc OH phản ứng không chọn lọc, một khi được hình thành, các chất ô nhiễm sẽ được phân mảnh nhanh chóng và hiệu quả, chuyển thành các phân tử vô cơ nhỏ. Các gốc hydroxyl được tạo ra với sự trợ giúp của một hoặc nhiều chất oxy hóa chính (ví dụ ozone, hydro peroxide, oxy) hoặc các nguồn năng lượng (ví dụ như tia cực tím) hoặc chất xúc tác (ví dụ titan dioxide). Khi được áp dụng trong điều kiện được điều chỉnh hợp lý, AOP có thể giảm nồng độ chất gây ô nhiễm từ vài trăm ppm xuống dưới 5ppm, từ đó làm giảm đáng kể COD và TOC. Quy trình oxy hóa nâng cao trở thành giải pháp được ưa chuộng trong quy trình xử lý nước của thế kỷ 21.

Quy trình oxy hóa nâng cao AOP đặc biệt hữu ích để làm sạch các vật liệu độc hại về mặt sinh học hoặc không phân hủy như chất thơm, thuốc trừ sâu, thành phần dầu mỏ và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong nước thải. Ngoài ra, AOP có thể được sử dụng để xử lý nước thải (xử lý thứ cấp – xử lý bậc ba). Các vật liệu gây ô nhiễm được chuyển đổi ở mức lớn thành các hợp chất vô cơ ổn định như nước, carbon dioxide và muối, trải qua quá trình khoáng hóa. Mục tiêu của việc sử dụng quy trình oxy hóa nâng cao là giảm các chất ô nhiễm hóa học và độc tính đến mức nước thải được làm sạch có thể được đưa trở lại vào các dòng nhận hoặc ít nhất đạt yêu cầu xử lý nước thải thông thường.

Mặc dù các quá trình oxy hóa liên quan đến gốc OH đã được sử dụng từ cuối thế kỷ 19 (trong thuốc thử Fenton), nhưng không được chú trọng trong xử lý nước. Quy trình oxy hóa nâng cao lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1987. AOP vẫn chưa được đưa vào sử dụng thương mại trên quy mô lớn (đặc biệt là ở các nước đang phát triển ) thậm chí cho đến ngày hôm nay chủ yếu là do chi phí tương đối cao.

Tuy nhiên, khả năng và hiệu quả oxy hóa cao của nó làm cho AOP trở thành một kỹ thuật phổ biến trong xử lý bậc ba, trong đó các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ sẽ được loại bỏ. Sự quan tâm ngày càng tăng đối với việc tái sử dụng nước và các quy định nghiêm ngặt hơn liên quan đến ô nhiễm nước hiện đang thúc đẩy việc thực hiện AOP ở quy mô đầy đủ. Hiện tại có khoảng 500 cài đặt AOP được thương mại hóa trên toàn thế giới, chủ yếu ở châu Âu và Hoa Kỳ . Các quốc gia khác như Trung Quốc đang cho thấy lợi ích ngày càng tăng trong AOP.

Nguyên tắc hóa học

Nói chung, hóa học trong AOP về cơ bản có thể được chia thành ba phần:

1. Hình thành OH
2. OH xử lý các phân tử mục tiêu
3. OH xử lý phân tử mục tiêu cho đến khi khoáng hóa

Cơ chế sản xuất OH (Phần 1) phụ thuộc nhiều vào loại kỹ thuật AOP được sử dụng. Ví dụ, ozone hóa, UV/H₂O₂ và quá trình oxy hóa xúc tác phụ thuộc vào các cơ chế khác nhau.

• UV / H₂O ₂

H ₂ O ₂ + UV → 2 OH (sự phân cắt liên kết đồng phân của liên kết OO của H₂O₂ dẫn đến sự hình thành các gốc 2 OH)

• AOP dựa trên Ozone

O ₃ + HO ^– → HO ₂ ^– + O ₂ (phản ứng giữa O ₃ và ion hydroxyl dẫn đến sự hình thành H₂O₂ (ở dạng tích điện))

O ₃ + HO ₂ ^– → HO ₂ + O ₃ ^– (một phân tử O ₃ thứ hai phản ứng với HO ₂ ^– để tạo ra gốc ozonide)

O ₃ ^– + H ⁺ → HO ₃ (gốc này mang lại cho OH khi proton)

HO ₃  → OH + O ₂

chỉ là một phần của chuỗi phản ứng, xem tài liệu tham khảo để biết thêm chi tiết

• Quá trình oxy hóa quang xúc tác với TiO ₂

TiO ₂ + UV → e ^– + h ⁺ (chiếu xạ bề mặt xúc tác dẫn đến một electron bị kích thích (e ^– ) và khoảng cách electron (h ⁺ ))

Ti (IV) + H ₂ O Ti (IV) -H ₂ O (nước hấp phụ lên bề mặt xúc tác)

Ti (IV) -H ₂ O + h ⁺ ⇌ Ti (IV) – · OH + H ⁺ khoảng cách electron phản ứng cao sẽ phản ứng với nước

Ưu điểm AOP nắm giữ một số lợi thế vô song trong lĩnh vực xử lý nước:

• Loại bỏ hiệu quả các hợp chất hữu cơ trong nước, phản ứng với hầu hết mọi chất gây ô nhiễm trong nước
• Loại bỏ một số kim loại nặng ở dạng kết tủa M(OH)x
• Có thể sử dụng trong khử trùng, là một giải pháp tích hợp xử lý nhiều vấn đề liên quan đến chất lượng nước.
• AOP không đưa bất kỳ chất độc hại nào vào nước, sản phẩm khử hoàn toàn là OH và H2O.

AOP có một số nhược điểm.

• Nổi bật nhất, chi phí của AOP là khá cao, vì cần đầu vào liên tục của thuốc thử hóa học đắt tiền để duy trì hoạt động của hầu hết các hệ thống AOP. Do bản chất của chúng, AOP đòi hỏi các gốc hydroxyl và các thuốc thử khác tỷ lệ thuận với số lượng chất gây ô nhiễm phải được loại bỏ.
• Một số kỹ thuật đòi hỏi phải xử lý trước nước thải để đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy, có thể đòi hỏi nhiều chi phí và kỹ thuật.
• Sẽ không hiệu quả nếu chỉ sử dụng AOP để xử lý một lượng lớn nước thải; thay vào đó, AOP nên được triển khai ở giai đoạn cuối sau khi điều trị chính và phụ đã loại bỏ thành công một tỷ lệ lớn các chất gây ô nhiễm.