Nghiên cứu khả năng phân hủy trinitrotoluen (TNT) trong môi trường nước bằng công nghệ plasma lạnh

Bài viết trình bày kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hủy trinotrotoluen (TNT) trong môi trường nước bằng phương pháp phóng điện màn chắn (DBD). Các yếu tố ảnh hưởng chính bao gồm công suất nguồn tạo plasma, thời gian xử lý, lưu lượng không khí, lưu lượng nước thải qua cột plasma, nồng độ TNT trong nước.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu khả năng phân hủy trinitrotoluen (TNT) trong môi trường nước bằng công nghệ plasma lạnh Hóa học – Sinh học – Môi trường NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY TRINITROTOLUEN (TNT) TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH Huỳnh Anh Kiệt*, Nguyễn Thị Ngọc Phượng, H Wiên Niê Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hủy trinotrotoluen (TNT) trong môi trường nước bằng phương pháp phóng điện màn chắn (DBD). Các yếu tố ảnh hưởng chính bao gồm công suất nguồn tạo plasma, thời gian xử lý, lưu lượng không khí, lưu lượng nước thải qua cột plasma, nồng độ TNT trong nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy, lưu lượng nước thải qua cột plasma tối ưu ở từ 1 – 2 lít/phút, lưu lượng không khí từ 4 – 6 lít/phút; hiệu suất chuyển hóa TNT tỷ lệ thuận với công suất nguồn tạo plasma và thời gian xử lý nhưng tỷ lệ nghịch với nồng độ TNT đầu vào. Với công suất thiết bị tạo plasma 120W, nồng độ TNT ban đầu 8,7mg/l, hiệu suất chuyển hóa đạt 92,7% trong 30 phút phản ứng và đạt 99,1% trong 120 phút phản ứng; Với nồng độ TNT ban đầu 27,3mg/l, hiệu suất chuyển hóa giảm còn 69,9% trong 30 phút phản ứng và đạt 96,6% trong 120 phút phản ứng. Từ khóa: Plasma lạnh; Phóng điện màn chắn; Trinitrotoluen; Xử lý nước thải. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghiệp quốc phòng là một trong những lĩnh quan trọng không những phục vụ cho Quân đội mà còn góp phần xây dựng nền kinh tế quốc dân. Trong quá trình sản xuất thuốc phóng thuốc nổ, nước thải là một trong các nguồn gây ô nhiễm chính, độc hại cho môi trường với các thành phần khó phân hủy như như nitroglyxerin, nitrocenlulo, nitrophenol, trinitrotoluen, hexogen,... Các phương pháp xử lý nước thải nhiễm các thành phần nêu trên, trong đó có TNT, được sử dụng trong thời gian qua bao gồm: phương pháp điện hóa, phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính, các phương pháp oxy hóa nâng cao, phương pháp sử dụng bức xạ UV, kết hợp bức xạ UV với tác nhân oxy hóa nâng cao, kết hợp bức xạ UV với chất xúc tác, sử dụng thực vật thủy sinh,… [1-4, 7, 12]. Tuy nhiên, các phương pháp trên vẫn còn tồn tại những hạn chế nhất định như: sinh ra sản phẩm phụ, sử dụng hóa chất, hiệu quả xử lý không cao,… Trong những năm gần đây, nghiên cứu ứng dụng công nghệ plasma lạnh xử lý nước thải được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Plasma lạnh là loại hình công nghệ mới, có hiệu quả cao trong việc tiêu diệt vi khuẩn và phân hủy các hợp chất hữu cơ bền dựa vào sự xuất hiện của ozone và hình thành gốc oxy hóa mạnh ●OH trong quá trình tương tác của plasma [5, 8, 9]. Sự hình thành các phần tử oxy hóa mạnh bởi sự tương tác của plasma với nước như hình 1. Về cơ bản, có 2 phương pháp thông dụng tạo plasma lạnh ứng dụng trong xử lý nước phổ biến: phóng điện màn chắn (Dielectric Barrier Discharge - DBD) và phóng điện vầng quang dạng xung (Pulsed Corona Discharge - PCD) [6]. Thiết bị DBD có thể được tạo ra ở nhiều hình dạng: sử dụng tấm song song cách nhau bởi một điện môi hoặc hình trụ, sử dụng các tấm đồng trục với một ống điện môi giữa chúng; vật liệu điện môi thường gặp bao gồm thủy tinh, thạch anh, gốm và polymer [11]. Mô hình phóng điện màn chắn với hệ điện cực đồng trục hình trụ, lớp cách điện là thạch anh được thiết lập để nghiên cứu (như hình 2). Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá khả năng phân hủy TNT trong nước bằng công nghệ plasma lạnh theo phương pháp phóng điện màn chắn. Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý được tiến hành khảo sát bao gồm: công suất nguồn tạo plasma, thời gian xử lý, lưu lượng nước qua cột plasma, lưu lượng khí bổ sung, nồng độ TNT trong nước thải. 370 H. A. Kiệt, N. T. N. Phượng, H. W. Niê, “Nghiên cứu khả năng phân hủy … plasma lạnh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình 1. Quá trình tương tác hình thành chất oxy hóa mạnh trong plasma [8]. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu, hóa chất - Trinitrotoluen (TNT): dạng bộ lấy từ nhà máy Z114 (do nhà máy Z113 sản xuất, độ tinh khiết 99,8%); - Dung môi: acetolnitrile, acetone, methanol, isopropanol, amonium acetate, methylene chloride, hexan (Merk – Đức); - Các hóa chất khác: natri sunfat, natri hydroxide, acid sulfuric, acid formic; - Nước cất (qua hệ thống lọc siêu sạch). 2.2. Thiết bị 2.2.1. Thiết bị phân tích TNT - HPLC Hãng Agilent Technologies 1200 Series và đầu dò LC/MS: Sử dụng hệ thống của Agilent Technologies 6130; - Cột sắc ký: Cột sắc ký pha đảo C-18 có kích thước 5 µm, đường kính 4,6 mm, chiều dài 150 mm; - Cột làm khô: Sử dụng tube chứa khoảng 5-7g Na2SO4 để loại nước ra khỏi phần chiết. (Không để Na2SO4 đi vào phần chiết); - Hệ thống hút chân không đủ khả năng duy trì áp suất chân không khoảng 13 cmHg và có thể đạt tới 66 cmHg. 2.2.2. Mô hình thí nghiệm Hình 2 mô tả chi tiết hệ thống thiết bị thí nghiệm xử lý nước bằng công nghệ plasma lạnh để khảo sát khả năng phân hủy TNT và các yếu tố ảnh hưởng. Thông số kỹ thuật của mô hình: - Nguồn cao áp: Pmax = 120W, Umax= 15kV, f=31kHz; - Buồng plasma: + Ống thủy tinh thạch anh: Ø34mm, dày 3mm, cao 35cm; + Điện cực trong: ống inox 316, Ø22mm, dày 1,5mm, cao 30cm; + Điện cực ngoài: lá đồng, diện tích S = 32 cm2; + Khoảng cách 2 điện cực: 3mm; - Bơm tuần hoàn: SMART pumps (Trung Quốc), Model: MP-6R; - Bơm khí: ATMAN (Trung Quốc), Model: HP 4000; - Thể tích thùng chứa nước: 20 lít (thể tích thí nghiệm: 5 lít/mẻ). Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 371 Hóa học – Sinh học – Môi trường Hình 2. Mô hình thí nghiệm xử lý nước nhiễm TNT bằng plasma lạnh. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Thiết lập mô hình thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành dạng mẻ ...