CÔNG NGHỆ OZONE: XU HƯỚNG VÀ CHIẾN LƯỢC
Chi phí liên quan đến sản xuất ozone đã giảm 50% trong thập kỷ qua và do đó, một số lượng lớn các ứng dụng công nghiệp mới đã xuất hiện trong những năm gần đây. Các thị trường tiềm năng cho công nghệ ozone luôn tồn tại đặc biệt là trong xử lý nước, khử trùng bề mặt, tẩy trắng bột gỗ, chế biến vật liệu, xử lý nước thải dệt nhuộm và xử lý nước làm mát. Một khía cạnh quan trọng của ứng dụng ozone trong xử lý nước là nó được sử dụng làm chất khử trùng trong các vòng lặp nước tinh khiết cho ngành dược phẩm và điện tử. Bên cạnh đó, điều đáng nói là ứng dụng ozone, không giống như clo, không để lại dư lượng có hại như haloforms sau phản ứng. Vì vậy, những lợi thế về môi trường của ozone so với clo biện minh cho chi phí sản xuất cao hơn của nó đối với một số ứng dụng ngày càng tăng.
Ozone ít hòa tan trong nước (12 mg dm -3 ; 25 ºC) và hành vi của nó trong môi trường nước có thể được đánh giá bằng cách kiểm tra động học phân hủy O3 . Một khi ôzôn xâm nhập vào nước, nó trở nên không ổn định cao và bị phân hủy nhanh chóng thông qua một loạt các phản ứng phức tạp. Theo tài liệu, sự phân hủy ozon trong nước có thể được mô tả như sau:
Theo cơ chế này, các ion hydroxit (HO ?? ) bắt đầu một chuỗi phản ứng khi ozone xâm nhập vào nước. Chuỗi phản ứng được duy trì bởi HO 2 ?? hình thành qua bước II, sau đó có thể bắt đầu các phản ứng tiếp theo. Gốc hydroxyl (HO ?? ) là thành phần quan trọng nhất được hình thành trong quá trình phân hủy ozon. Do đó, ozone có thể phản ứng trong môi trường nước trực tiếp với các chất nền, chẳng hạn như ozone phân tử, hoặc gián tiếp, thông qua các chất trung gian gốc được hình thành trong quá trình phân hủy ozone trong môi trường nước. Do đó, tùy thuộc vào hoạt động của ôzôn trong môi trường nước, độ chọn lọc của quá trình ozon hóa có thể cao (phản ứng trực tiếp) hoặc thấp (phản ứng gián tiếp).
Kể từ khi HO ?? gốc không có tính chọn lọc và có khả năng oxy hóa rất cao, do đó loài này là chất oxy hóa hiệu quả hơn nhiều so với bản thân ozone. Tùy thuộc vào ảnh hưởng của áp suất riêng phần của oxy hòa tan, các bán phản ứng sau đây là đại diện cho các thế oxy hóa khử tiêu chuẩn:
Theo các bán phản ứng này, ngay cả trong các trường hợp xem xét phản ứng biểu diễn bằng phương trình 2, gốc hydroxyl cho đến nay vẫn là chất oxy hóa mạnh hơn ozon.
Ứng dụng ozone trong xử lý nước
Nước là nguồn gốc của sự sống và tính sẵn có của nó ngày càng giảm, do đó, nhu cầu xử lý tài nguyên nước là rõ ràng. Ở các nước công nghiệp, những cải tiến trong xử lý nước đã dẫn đến việc loại bỏ gần như xóa bỏ các nguy cơ sức khỏe cấp tính do các bệnh truyền qua nước gây ra.
Kể từ khi Schönbein phát hiện ra ôzôn vào năm 1840, chất ôxy hóa này đã được sử dụng nhiều để lọc nước, do hoạt tính diệt khuẩn mạnh của nó. Việc sử dụng ozone để lọc nước ở quy mô công nghiệp lần đầu tiên được đề xuất bởi Werner Siemens vào năm 1889, nhưng phải mất mười năm nữa mới thực sự sử dụng ozone về mặt thương mại để cung cấp nguồn nước tinh khiết cho các thành phố và làng mạc bị bao quanh bởi các khu vực bị ô nhiễm.
Thí nghiệm đầu tiên về khử trùng nước bằng phương pháp ozon hóa được De Meritens thực hiện vào năm 1886. Kể từ đó, người ta đã quan tâm nhiều đến việc sử dụng ozone như một giải pháp thay thế khả thi cho clo trong khử trùng nước để loại bỏ sự hình thành các chất độc hại do- các sản phẩm, chẳng hạn như trihalomethanes và các hợp chất clo hữu cơ. Việc sản xuất nước uống đòi hỏi phải loại bỏ nhiều hợp chất ( ví dụ như chất humic và các chất vi lượng độc hại) và ozone hoạt động bằng cách oxy hóa một số chất gây ô nhiễm nước uống, bao gồm các hợp chất hữu cơ và vô cơ khác nhau, cũng như để loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh ( ví dụ: vi rút, ký sinh trùng).
Hình ảnh minh họa
Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), ozone là chất khử trùng mạnh nhất hiện có. Đạo luật Nước uống An toàn năm 1996 đưa ra các quy tắc được đề xuất về sự hiện diện của các sản phẩm phụ khử trùng (DBP), chẳng hạn như axit haloacetic và trihalomethanes, phát sinh từ việc khử trùng các chất ô nhiễm hữu cơ bằng clo và các halogen khác. Sự hiện diện của các hợp chất này trong nguồn cung cấp nước gây ra các nguy cơ sức khỏe cho người dân. Do đó, việc loại bỏ DPB thông qua các phương pháp khử trùng thay thế là mong muốn, và do đó việc sử dụng ozone làm chất oxy hóa và chất khử trùng để xử lý nước và nước thải đang trở nên phổ biến.
Theo tài liệu, nhược điểm chính liên quan đến ứng dụng ozone trong sản xuất nước uống là sự hiện diện của ion bromua. Do đó, để đạt được các mức yêu cầu của luật môi trường, cả liều lượng O3 và thời gian lưu trú trong quá trình xử lý nước nên được đánh giá trước đó trong trường hợp nước thô có chứa các ion bromua để duy trì bromat được tạo thành trong quá trình ozon hóa ở nồng độ thấp hơn 10 mg dm – 3 (BrO3 – là chất có khả năng gây ung thư).
Đặc tính của nước thô cho ứng dụng ozone đã được báo cáo bởi Park et al ., người đã điều tra tác động của các hạt, tải lượng ôzôn và việc phun ôzôn tuần tự. Nghiên cứu này cho thấy ozon hóa là một công nghệ rất hiệu quả để xử lý nước uống được. Theo Foller và Kelsall, lượng ôzôn cần thiết để xử lý nước uống được, tùy thuộc vào tốc độ dòng chảy thể tích và đặc tính nội tại của nước thô, thay đổi từ 0,005 kg ngày -1 (những trường hợp yêu cầu số lượng nhỏ) lên đến 50 đến 5000 kg ngày -1 .
Động học ozon hóa đóng một vai trò quan trọng trong tính khả thi của việc xử lý các hợp chất hữu cơ có trong nước. Kể từ khi công trình của Hoigné et al . Hằng số tốc độ đối với một số hợp chất khác nhau trong môi trường nước đã được đo. Sự khác biệt liên quan đến bản chất trực tiếp (thông qua ozone) hoặc gián tiếp (thông qua cơ bản) của quá trình ozon hóa đã được trình bày bởi Yao và Haag, người đã báo cáo động học ozon hóa trực tiếp đối với một số chất gây ô nhiễm có giá trị mức ô nhiễm tối đa (MCL) đã được Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) thiết lập. Sự khác biệt giữa hai con đường oxy hóa rất quan trọng vì nó cho phép đánh giá bản chất của các loại sản phẩm trong các vùng nước tự nhiên khác nhau và áp dụng các hằng số tốc độ cho các hệ thống khác, bao gồm cả môi trường sinh học. Nói chung, các hợp chất có hằng số tốc độ động học bậc hai giả, k , cao hơn 100 L mol -1 s -1 sẽ bị tiêu hao đáng kể bằng cách ozon hóa trực tiếp và thông qua các quá trình gián tiếp, trong khi các hợp chất có bản chất dễ ăn mòn mạnh ( k << 100 L mol -1s -1 ) sẽ bị phá hủy chủ yếu bởi gốc hydroxyl.
Xem thêm:
Các xu hướng và chiến lược ứng dụng ozone trong các vấn đề môi trường (Phần 1)
Các xu hướng và chiến lược ứng dụng ozone trong các vấn đề môi trường (Phần 3)
Các xu hướng và chiến lược ứng dụng ozone trong các vấn đề môi trường (Phần 4)
