Nghiên cứu ứng dụng công nghệ plasma lạnh để xử lý nước thải nhiễm trinitrotoluen (TNT)

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ plasma lạnh để xử lý nước thải nhiễm trinotrotoluen (TNT) trong công nghiệp quốc phòng. Bổ sung thêm chất oxy hóa khác (H2O2) kết hợp với plasma có tác dụng khơi màu, làm tăng tốc độ phản ứng perozon trong dung dịch.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ plasma lạnh để xử lý nước thải nhiễm trinitrotoluen (TNT) Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHIỄM TRINITROTOLUEN (TNT) Huỳnh Anh Kiệt*, Nguyễn Thị Ngọc Phượng, Võ Công Hậu Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ plasma lạnh để xử lý nước thải nhiễm trinotrotoluen (TNT) trong công nghiệp quốc phòng. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phóng điện màn chắn (DBD) tạo môi trường plasma chứa các thành phần oxy hóa mạnh như tia UV, O3, H2O2 và gốc ●OH để phân hủy TNT trong nước thải. Nghiên cứu đã khảo sát sự hình thành O3, H2O2 đồng thời xác định khả năng phân hủy TNT trong nước thải. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy hiệu suất xử lý TNT tỷ lệ thuận với thời gian phản ứng và tỷ lệ nghịch với nồng độ TNT đầu vào. Bổ sung thêm chất oxy hóa khác (H2O2) kết hợp với plasma có tác dụng khơi màu, làm tăng tốc độ phản ứng perozon trong dung dịch. Từ khóa: Plasma lạnh; Trinitrotoluen; Phóng điện màn chắn; Xử lý nước thải. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất được tạo thành khi chất khí bị ion hóa bao gồm các thành phần như ion dương, ion âm, điện tử, các phân tử hay nguyên tử trung tính. Tùy theo mức độ ion hóa của chất khí mà plasma được chia thành plasma nhiệt hay plasma lạnh. Plasma lạnh là trạng thái mà nhiệt độ của điện tử Te đạt giá trị rất lớn trong khi nhiệt độ của ion Ti và nhiệt độ của chất khí Tg xấp xỉ nhiệt độ môi trường. Nguồn năng lượng tạo plasma dựa vào hiện tượng phóng điện tia lửa điện xảy ra khi đặt giữa các điện cực một điện áp cao, trong khe hở giữa hai điện cực sẽ xuất hiện một điện trường lớn vượt quá độ bền của chất khí bên trong và xảy ra hiện tượng phóng điện. Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ plasma lạnh xử lý nước thải được nhiều nhà khoa học quan tâm bởi hiệu quả cao trong việc tiêu diệt vi khuẩn và phân hủy các hợp chất hữu cơ bền dựa vào sự xuất hiện của O3, H2O2 và hình thành gốc oxy hóa mạnh ●OH trong quá trình tương tác của plasma [1-3]. Cơ chế hình thành ●OH dựa trên các cơ chế [2-4]: O2 + hv → O + O (1) H2O + hv → ●H + ●OH (2) O + O2 → O3 (3) O3 + OH- → O3● + ●OH (4) O3●-→ O●- + O2 (5) O●- + H2O → ●OH + OH- (6) e- + H2O → ●OH + H● + e- (7) O + H2O → ●OH + ●OH (8) ● Khi gốc tự do OH được hình thành, lập tức hàng loạt các phản ứng khác xảy ra tiếp theo kiểu chuỗi những gốc hoạt động mới, phản ứng xảy ra không chọn lựa. Sự hình thành gốc ●OH có tác dụng như khơi mào cho hàng loạt các phản ứng khác xảy ra trong dung dịch, có khả năng oxy hóa cao TNT trong nước thải. Nghiên cứu sử dụng công nghệ plasma lạnh chủ yếu tập trung xử lý chất ô nhiễm khó phân hủy, ví dụ nghiên cứu của Osman Karatum tiến hành xử lý toluene, benzene, ethylbenzene, methyl ethyl ketone (MEK), methyl ete tert-butyl (MTBE), 3-pentanone và n-hexane [5]. Nhóm nghiên cứu Zhiyong Zhou và cộng sự tiến hành xử lý nước thải thuốc nhuộm azo (Acid Orange II, AO7) cho hiệu suất đạt 85,8% [6]. Nghiên cứu của Bahareh Mohammadi tiến hành phân hủy các hợp chất màu đặc trưng như phenolred (PR), methylOrange (MO), diamineGreenB (DGB), pyrogallolRed (PYR), bromocresolGreen (BCG), bromochlorophenolBlue (BCB), crystalviolet (CV), naphtolgreenB (NGB) [1]. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 95 Hóa học & Môi trường Tại Việt Nam, nguồn phát sinh nước thải nhiễm TNT tập trung ở các nhà máy quốc phòng như Z113, Z114, Z115, Z121, Z131; thông thường lưu lượng phát sinh không nhiều, chủ yếu từ dây chuyền sản xuất thuốc nổ AD1 (Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình 1 mô tả chi tiết hệ thống thiết bị thí nghiệm xử lý nước thải nhiễm TNT bằng công nghệ plasma lạnh, bao gồm các bộ phận sau: (1) Buồng plasma: - Ống thủy tinh thạch anh ngoài có đường kính 34 mm, dày 3 mm, cao 35 cm; - Điện cực trong: ống inox 316, Ø22 mm, dày 1,5 mm, cao 30 cm; - Ống thủy tinh bọc điện cực trong: Ø22 mm, dày 1 mm, cao 20 cm; - Điện cực ngoài: lá đồng, diện tích S = 32 cm2; - Khoảng cách 2 điện cực: 3 mm. (2) Bơm tuần hoàn: SMART pumps (Trung Quốc), Model: MP-6R. (3) Bơm khí: ATMAN (Trung Quốc), Model: HP 4000. (4) Bể phản ứng: thùng nhựa 20 lít (thể tích thí nghiệm: 5 - 10 lít/mẻ). 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Chuẩn bị dung dịch nước thải Nước thải nhiễm TNT nhân tạo ở các nồng độ khác nhau trong mỗi mẻ thí nghiệm được chuẩn bị bằng cách pha loãng dung dịch gốc TNT vào nước cất. Dung dịch gốc TNT nồng độ ~ 1000 mg/l được chuẩn bị bằng cách pha 1 gam tinh thể TNT trong dung môi acetone/methanol tỉ lệ 50:50 định mức đến 1000ml. Nước thải nhiễm TNT được lấy từ dây chuyền sản xuất thuốc nổ AD1 của Nhà máy Z114/ Tổng Cục Công nghiệp quốc phòng. 2.2.2. Thiết lập mô hình thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành dạng mẻ luân phiên (mỗi mẻ phản ứng 10 lít) như trên hình 1. Nước thải nhiễm TNT được bơm tuần hoàn từ bể phản ứng lên cột plasma theo hướng từ dưới lên bên trong ống điện cực inox Ø22mm và chảy tràn bên ngoài ống đi qua vùng plasma và quay lại bể phản ứng. Lưu lượng dung dịch điều chỉnh bởi hệ thống van và theo dõi qua lưu lượng kế, không khí được cấp và ...