Nghiên cứu xử lý và thu hồi cao su từ nước thải quá trình loại bỏ protein từ cao su thiên nhiên

TỔ NG QUAN

Thành ph ầ n c ủ a m ủ cao su[13]

Mủ cao su là dạng nhũ tương (serum) chứa các hạt latex cao su lơ lửng trong nước, với kích thước hạt rất nhỏ, hình cầu có đường kính dưới 0,5 micromet Tất cả các hạt này chuyển động hỗn loạn trong dung dịch nhờ vào chuyển động Brown Trong mỗi gram mủ cao su có khoảng 7,4 x 10^12 hạt cao su, được bao quanh bởi các protein giúp duy trì trạng thái ổn định của latex.

Latex cao su bao gồm các thành phần chính như cao su nguyên chất, protein, chất béo và nhiều chất khác, tất cả đều có mặt trong cấu trúc của mọi tế bào sống Hàm lượng cụ thể của các thành phần này được trình bày trong bảng 1.

Bảng 1: Thành phần của latex

Mủ cao su tự nhiên ở trạng thái rắn có thành phần chính là hidrocacbon (C5H8)n poly-isoren

Hình 1: Phân tHình 1: Phân tử cao su ử cao su

Các đơn vị đồng phân Cis-1,4-isopren liên kết với nhau ở vị trí 1,4 là các mắt xích hình thành mạch đại phân tử cao su thiên nhiên

Cao su thiên nhiên nổi bật với độ đàn hồi tuyệt vời nhờ vào các liên kết 1,4 trong cấu trúc của nó Nhựa từ cây Gtapecha được hình thành từ polyme của isopren, cụ thể là đồng phân trans-1,4-isopren.

Cao su thiên nhiên có khả năng tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực như xăng, benzen và CCl4, nhưng lại không tan trong các dung môi phân cực như rượu, axeton và methanol Điều này là do cao su là hợp chất hữu cơ không phân cực, dẫn đến sự tương tác kém với các dung môi phân cực.

Hàm lượng các thành phần trong latex cao su thiên nhiên thay đổi tùy thuộc vào điều kiện khí hậu và hiện trạng sống của cây trồng Các con số đưa ra chỉ là ước tính dựa trên nghiên cứu phân tích từ nhiều loại cây khác nhau Chất phụ trong latex có thể xuất hiện với hàm lượng khác nhau, bao gồm cả những chất biến đổi, ảnh hưởng đến tính chất của cao su thô và latex được bảo quản.

Tính ổn định của pha phân tán trong latex phụ thuộc vào khả năng hút dính của các phần tử cao su Sự kết dính giữa các phần tử cao su này được gọi là sự đông đặc latex, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tính chất của sản phẩm.

5 dụng của các protein thì chưa xác định rõ hoàn toàn vì ngoài ra còn có lipoidic và vài chất vô cơ.

Lớp vỏ protein bao quanh hạt cao su khi bị vi khuẩn xâm nhập sẽ tạo ra mùi khó chịu và gây dị ứng cho người sử dụng, đồng thời cản trở phản ứng biến tính của cao su thiên nhiên Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến tính ứng dụng của cao su thiên nhiên Do đó, việc loại bỏ protein khỏi cao su thiên nhiên là cần thiết để mở rộng ứng dụng của nó trong các ngành vật liệu và y tế-y sinh.

Serum chứa các thành phần chính như phospholipid, cùng với muối khoáng, heterosid (bao gồm methyl-1 inositol hoặc quebrachitol) và một số acid amin với tỉ lệ thấp.

Serum có hàm lượng khô từ 8-10%, tạo ra hiệu ứng Tyndall mạnh mẽ nhờ chứa nhiều hợp chất hữu cơ trong dung dịch thể giao trạng Serum latex, mặc dù là một di chất, nhưng có độ phân tán vượt trội so với các hạt cao su, vì vậy có thể được xem như một pha phân tán duy nhất.

1.1.2 Pha bị phân tán- hạt tử cao su

Theo nghiên cứu của Viện Khảo cứu Cao su Đông Dương, hàm lượng cao su khô trong latex, hay tỷ lệ phân tán của cây cao su, đạt khoảng 18%.

Hạt tử cao su thường có hình cầu với kích thước không đồng nhất, chủ yếu có đường kính khoảng 0,6 micron Trong một cm3 latex, có khoảng 2×10^8 hạt, trong đó 90% có đường kính 0,5 micron.

Mủ cao su là một hỗn hợp keo chứa các hạt cao su nhỏ hình cầu, với đường kính nhỏ và chuyển động hỗn loạn trong dung dịch nhũ thanh Trong mỗi gram mủ cao su có khoảng 7,4×10^12 hạt cao su, được bao quanh bởi các protein giúp duy trì sự ổn định của latex.

Quy trình sơ chế m ủ cây cao su[1]

Mủ cao su thường bao gồm các loại như mủ nước (latex), mủ đất và mủ chén Mủ được thu hoạch trực tiếp từ thân cây và được gom vào thời điểm quy định, trong đó mủ nước được coi là loại mủ chất lượng cao nhất Để bảo quản, người ta thường sử dụng NH3 với hàm lượng thích hợp.

Để ngăn mủ cao su không bị đông lại trước khi đưa về nhà máy và đảm bảo chất lượng, cần sử dụng chất chống đông với tỷ lệ từ 0,003-0,1% tính trên lượng cao su khô Việc này giúp tránh sự oxi hóa và duy trì tính chất của mủ.

Mủ tạp là loại mủ chứa tạp chất, bao gồm đất, cát và đã đông lại trước khi được đưa về nhà máy Nó bao gồm các loại mủ như mủ chén, mủ vỏ và mủ đất, còn được gọi là mủ thứ cấp Dòng mủ này vẫn tiếp tục chảy vào chén hứng mủ, bám dính trên thân cây hoặc rơi xuống đất trong quá trình thu hoạch.

Sau khi thu mủ nước và vận chuyển đến nhà máy, mủ được bảo quản trong các bể lắng lớn và khuấy trộn để đồng nhất các loại latex từ nhiều nguồn khác nhau Đồng thời, tiến hành xác định hàm lượng mủ khô và NH3 còn trong mủ để kiểm tra sơ loại việc tiếp nhận.

Chất lượng mủ tạp giảm sút do quá trình oxi hóa xảy ra khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời Tại nhà máy, mủ được phân loại và ngâm rửa để ngăn chặn oxi hóa và loại bỏ tạp chất trong các bể riêng biệt.

1.2.3 Quy trình sơ chế mủ[1]

Sản phẩm từ mủ cao su sở hữu nhiều đặc tính vượt trội như tính đàn hồi, dẻo, cách điện và kháng nước, đồng thời thân thiện với môi trường Chính vì vậy, cao su được ưa chuộng trong sản xuất thiết bị y khoa, công nghiệp và gia đình Tuy nhiên, protein có trong mủ cao su có thể gây ra một số tác động không mong muốn.

Cao su thiên nhiên chứa hàm lượng protein cao, có thể gây dị ứng da cho người dùng sản phẩm từ vật liệu này Ngoài ra, trong quá trình bảo quản cao su thương mại rắn, protein sẽ bị phân hủy, tạo ra mùi khó chịu và làm giảm chất lượng sản phẩm.

Để nâng cao chất lượng cao su, việc loại bỏ protein khỏi mủ cao su thiên nhiên là rất cần thiết Quá trình này sẽ giúp tăng cường tính đàn hồi và cải thiện độ dẻo của vật liệu cao su.

Các phản ứng biến tính cao su diễn ra hiệu quả hơn khi hàm lượng protein trong mủ cao su thấp, vì các tác nhân biến tính dễ dàng tương tác với bề mặt hạt cao su Khi hàm lượng protein giảm, vật liệu cao su sẽ có điện trở tăng và khả năng hấp thụ nước giảm mạnh.

1.2.3.1 Nguyên liệu và thiết bị

 Nguyên liệu và hóa chất

- Mủ cao su thiên nhiên (Sản phẩm thướng mại HANR-60%)

- Chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfate(SDS)

- Cốc thủy tinh 500ml, ống đựng mẫu sau ly tâm

Quy trình công nghệ gồmcác bước cơ bảnsau:

Bước 1: Chuẩn bị thiết bị và hóa chất.

Bước 2: Ủ hỗn hợp mủ cao su thiên nhiênvà ure với sự có mặt của chất hoạt động bề mặt SDS.

Mục đích của nghiên cứu là nâng cao khả năng phân tán các hạt cao su trong môi trường có mặt chất hoạt động bề mặt SDS thông qua phương pháp khuấy cơ học Trong lần ủ đầu tiên, Ure được bổ sung với nồng độ 1% trong thời gian 1 giờ Các lần ủ tiếp theo không cần thêm Ure và thời gian ủ sẽ được rút ngắn còn 30 phút.

Bước 3:Tiến hành tách nước serum và các hạt latex bằng máy ly tâm

Hình 2: Sơ đồ loại bỏ protein ra khỏi cao su thiên nhiên

Để đảm bảo mẫu không bị văng ra ngoài trong quá trình ly tâm, cần tính toán chính xác lượng cao su và nước cất sao cho khối lượng của ống và hỗn hợp bằng nhau, với sai số không vượt quá 0,01g Điều kiện ly tâm được thực hiện ở tốc độ 10.000 vòng/phút, nhiệt độ 15°C trong 30 phút, và quy trình này nên được lặp lại từ 2 đến 3 lần.

Sau khi ly tâm, phần kem tách ra sẽ được phân tán vào dung dịch chứa SDS với nồng độ giảm dần Phần serum sẽ được loại bỏ và cho vào bình thải để xử lý.

Bước 4: Rửa mủ latex bằng nước có chứa chất hoạt động bề mặt SDS

Bước 5:Tiến hành phân tích và đánh giá chất lượng mủ

Sau quá trình tách protein ta thu được DPNR, đem bảo quản và xác định DRC để thực hiện quá trình ghépcho phần sau.

Ngu ồ n g ố c và tính ch ấ t c ủa nướ c th ả i c ủ a ngành ch ế bi ế n m ủ cao su[13]

1.3.1 Nguồn gốc của nước thải Độ ô nhiễm của nước thải từ các nhà máy chế biến cao su thường rất cao, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường, gây ô nhiễm trầm trọng, ảnh hưởng đến đời sống cũng như sức khỏe của người dân sống trong khu vực và sự phát triển của động-thực vật xung quanh, gây mùi hôi thối và độc hại

Nước thải từ các nhà máy chế biến cao su cần được xử lý triệt để trước khi thải ra môi trường, vì nếu không, nó sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường xung quanh.

- Tạo điều kiện kỵ khí do chất rắn lơ lửng trong nước thải gây hiện hượng bùn lắng

Vi sinh vật trong nước sẽ bị tiêu diệt và tạo ra mùi hôi khó chịu do hàm lượng hợp chất hữu cơ cao, chủ yếu là protein và carbohydrate Điều này có thể dẫn đến suy giảm hàm lượng oxy tự nhiên trong nguồn nước, tạo điều kiện cho quá trình thối rữa diễn ra Các chỉ số BOD5 và COD được sử dụng để đo lường mức độ ô nhiễm này.

Khi các chất ô nhiễm ngấm xuống đất, chúng làm gia tăng nồng độ NO2 trong tầng nước ngầm, dẫn đến nguy cơ sức khỏe cho con người khi sử dụng nguồn nước này.

- Gây hiện tượng phú dưỡng cho nguồn tiếp nhận do nước thải có hàm lượng N,P rất cao

1.3.2 Tính chất nước thải cao su[13]

Sau khi vớt mủ, nước thải đánh đông có nồng độ cao các chất bẩn, chủ yếu là serum còn lại Nước thải này chứa các hóa chất như axit axetic, protein, cao su thừa và đường, cùng với lượng mủ chưa đông tụ Điều này dẫn đến việc còn lại một lượng lớn cao su ở dạng có pH từ 5-5,5.

 Dây chuyền sản xuất mủ ly tâm

Dây chuyền sản xuất này sử dụng NH3 mà không cần quy trình đánh đông, do đó không sử dụng axit Lượng NH3 được đưa vào khoảng 20kg/tấn DRC nguyên liệu Đặc điểm nổi bật của loại nước thải này như sau:

- Nồng độ COD, BOD và N rất cao

- Hàm lượngchất hoạt động bề mặt trong nước thải là khá cao.

Công ngh ệ x ử lý nướ c th ải cao su trong nướ c[13]

Hiện nay, Việt Nam đứng thứ 6 trong sản xuất cao su toàn cầu Vấn đề nước thải từ các nhà máy chế biến mủ cao su đã trở nên cấp bách sau khi Nhà nước ban hành TCVN 5945-1995, quy định tiêu chuẩn môi trường đối với nước thải công nghiệp.

Các vấn đề trong hệ thống xửlý nước thải ngành cao su:

- Công suất xử lý quá tải: Từtháng 5 đến cuối năm, hầu hết các hệ thống bị quá tải do công suất thiết kếkhông đáp ứng được nhu cầu

- Trong nước thải còn chứa nhiều mủ cao su ở quá trình xử lý tiếp theo vì hiệu suất của bể gạn mủ thấp, không đạt hiệu quả

Hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải chế biến cao su rất cao, đòi hỏi thời gian lưu tối ưu là 60 ngày Tuy nhiên, khảo sát cho thấy thời gian lưu thực tế chỉ khoảng 20 đến 30 ngày khi áp dụng công nghệ hồ.

- Theo khảo sát, so với tiêu chuẩn kỹ thuật, tải trọng hưu cơ gấp nhiều lần

- Thiết bị sục khí không làm việc liên tục trong khi có công suất thấp hơn nhiều so với công suất thiết kế

- Nước tại đầu ra của hệ thống có chất lượng chưa đạt tiêu chuẩn yêu cầu kĩ thuật.

Các ch ỉ tiêu đánh g iá ch ất lượng nướ c[5]

1.5.1 Các chỉ tiêu vật lý

1.5.1.1 Độ cứng Độ cứng có 3 loại: độ cứng toàn phần, độ cứng tạm thời, độ cứng vĩnh cửu Là đại lượng hiển thịhàm lượng ion Ca 2+ , Mg 2+ trong nước

Các axit béo sẽ kết hợp với ion Ca 2+ , Mg 2+ hình thành các hợp chất khó hòa tan

Nước chứa hàm lượng CaCO3 7

Những ảnh hưởng của hóa chất trong môi trường nước sẽ được thể hiện qua pH

1.5.2.3 BOD((Biochemical oxygen Demand)-nhu cầu oxy sinh hoá)

BOD, hay nhu cầu oxy sinh hóa, là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ trong nước, giúp xác định tốc độ tiêu thụ oxy bởi các sinh vật Chỉ số này đóng vai trò quan trọng trong khoa học môi trường và sinh thái học, được sử dụng để khảo sát và quản lý chất lượng nước.

BOD 5 : Phải mất ít nhất 20 ngày tại nhiệt độ 20 o C để oxy hóa hết các chất hữu cơ trong nước Vì vậy người ta chỉ lấy chỉ số BOD tại thời điểm oxy hóa 5 ngày để đơn giản phép phân tích (ký hiệu BOD5) Khoảng 80% chất hữu cơđã bị oxy hóa sau 5 ngày Thử nghiệm BOD được thực hiện bằng cách hòa loãng mẫu nước thử với nước đã khử ion và bão hòa về oxy, thêm một lượng cốđịnh vi sinh vật mầm giống, đo lượng oxy hòa tan và đậy chặt nắp mẫu thửđể ngăn ngừa oxy không cho hòa tan thêm (từ ngoài không khí) Mẫu thửđược giữở nhiệt độ 20°C trong bóng tối để ngăn chặn quang hợp (nguồn bổ sung thêm ôxy ngoài dự kiến) trong vòng 5 ngày và sau đó đo lại lượng oxy hòa tan Khác biệt giữa lượng DO (oxy hòa tan) cuối và lượng DO ban đầu chính là giá trị của BOD Giá trị BOD của mẫu đối chứng được trừđi từ giá trị BOD của mẫu thửđể chỉnh sai số nhằm đưa ra giá trị BOD chính xác của mẫu thử

Ngày nay, việc đo BOD được thực hiện bằng phương pháp chai đo BOD Oxitop Chai được đặt trong tủ ở nhiệt độ 20°C trong vòng 5 ngày, và quá trình đo BOD diễn ra tự động khi nhiệt độ đạt 20°C Giá trị BOD được ghi nhận tự động sau mỗi 24 giờ.

1.5.2.4 Hàm lượng oxy hòa tan trong nước- DO

Mức độ ô nhiễm nước có thể được đánh giá sơ bộ qua chỉ số DO (độ hòa tan của oxy) Oxy hòa tan trong nước chủ yếu đến từ hai nguồn: quá trình quang hợp của tảo và thực vật thủy sinh, cùng với oxy từ không khí Nhiều yếu tố như nhiệt độ, áp suất khí quyển, địa hình và dòng chảy ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của oxy trong nước Giá trị DO trong nước còn phụ thuộc vào các đặc tính vật lý, hóa học và hoạt động sinh học diễn ra trong môi trường nước đó.

Có hai phương pháp khác nhau xác định chỉ số DO:

Phương pháp Winkler là một kỹ thuật hóa học dựa trên quá trình oxy hóa Mn 2+ thành Mn 4+ nhờ vào lượng oxy hòa tan trong nước Khi thêm MnSO4 và dung dịch iot kiềm (NaOH + NaI) vào mẫu, có hai trường hợp xảy ra.

+, Nếu không có oxy hiện diện, kết tủa Mn(OH)2 có màu trắng

Mn 2+ + 2OH - → Mn(OH)2 (kết tủa trắng) +, Nếu mẫu có oxy, một phần Mn 2+ bị oxy hóa thành Mn 4+ , kết tủa màu nâu

Mn 4+ có khả năng chuyển đổi I- thành I2 tự do trong môi trường axit, dẫn đến việc giải phóng I2 Lượng I2 này tương ứng với lượng oxy hòa tan có trong nước.

Xúc tác các ph ả n ứ ng phân hu ỷ H 2 O 2 b ằ ng ph ứ c ch ấ t ion các kim

Hơn một thập kỷ qua, trong lĩnh vực xúc tác phức chất, xúc tác dị thể đã được nghiên cứu và ứng dụng chủ yếu, trong khi xúc tác đồng thể chỉ mới phát triển nhờ vào những thành tựu trong hóa học phức chất và sinh vật học Các nhà khoa học đã mô phỏng cơ chế hoạt động của xúc tác đồng thể dựa trên quá trình xúc tác men trong giới hữu sinh, xuất phát từ các đặc tính của quá trình xúc tác bằng ion kim loại và khả năng tạo phức của chúng, đặc biệt là với các kim loại chuyển tiếp và ligan.

Chất xúc tác phức chất của kim loại chuyển tiếp thường hiệu quả hơn so với kim loại tương ứng, nhờ vào sự thay đổi trong quy luật động học và cơ chế phản ứng oxy hóa-khử Việc chuyển ion vào phức chất xúc tác có thể thay đổi hướng quá trình phản ứng Sự kết hợp giữa ion kim loại chuyển tiếp (M z+) và các ligan (L) khác nhau tạo ra các tác dụng đặc thù của phức chất, điều này mang lại ý nghĩa quan trọng và là phương pháp hiệu quả nhất để phát triển các xúc tác phức chất có hoạt tính và độ chọn lọc cao.

1.6.1 Ion kim loại chuyển tiếp trong xúc tác Đối với một số phản ứng, do tính phân cực mạnh và độ linh động cao nên ion H + (proton) có tác dụng xúc tác Hiệu ứng án ngữ không gian H + cũng rất nhỏ do proton có kích thước rât bé(rH += 10 -13 cm), nhỏhơn bán kính ion kim loại đến

5 bậc Khi các kim loại chuyển tiếp (Cu 2+ , Mn 2+ , Ni 2+ , Co 2+ ,…) hoặc phức chất phức của chúng thay thế H + trong các phản ứng được xúc tác bằng axit Bronsted

Tốc độ phản ứng tăng lên đáng kể với các ion M z+ có điện tích dương lớn (z) Một số ý kiến cho rằng điều này chủ yếu liên quan đến khả năng phân cực và nhận electron của M z+, được đánh giá qua các thông số z/r hoặc z/r2 Tuy nhiên, ngay cả các ion kim loại có điện tích lớn thì các thông số này vẫn nhỏ hơn nhiều so với proton Hơn nữa, theo quan điểm hiện đại, khả năng tham gia của các ion có điện tích lớn vào thành phần của chất xúc tác là rất thấp.

Phức chất hỗn hợp đóng vai trò quan trọng trong xúc tác nhờ khả năng phối trí đồng thời của ion kim loại M z+ với nhiều chất phản ứng hoặc nhóm chức trong phân tử, giúp tăng cường hoạt tính xúc tác vượt trội so với H+ Đặc điểm cấu trúc electron của ion trung tâm M z+ cũng là yếu tố quyết định, bởi trong các nguyên tử kim loại chuyển tiếp nhóm d, các orbital thường chỉ được điền đầy một phần, tạo ra trạng thái chưa bão hòa Điều này cho phép khả năng lai hóa giữa các orbital lớn, và theo phương pháp orbital phân tử (MO), khi phối trí với ligan (L) hoặc cơ chất có tính ligan (SL), M z+ có thể nhận electron vào orbital d(x²-y²) trống từ L hoặc SL, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác.

Proton không có khả năng cho electron như ion M z+, mà sự chuyển electron từ orbital dxy của M z+ sang orbital π* phản liên kết của L (hoặc SL) làm yếu liên kết hóa học trong phân tử, tương tự như quá trình hoạt hóa bằng xúc tác sinh học Hiệu ứng “liên kết π ngược” trong các hợp chất thường có ý nghĩa hơn so với liên kết σ do sự chuyển điện tử từ ligan đến ion kim loại Điều này giải thích khả năng hoạt hóa các hợp chất của phức xúc tác, cho phép các phản ứng oxy hóa-khử diễn ra ở điều kiện mềm (t o, p thường) với tốc độ và độ chọn lọc cao.

Trên thực tế thì hầu hết các ion kim loại tự do không có hoạt tính xúc tác

Chỉ khi các ion kim loại này tham gia tạo phức chất với ligan thích hợp thì chúng mới thể hiện hoạt tính xúc tác cao

1.6.2 Ảnh hưởng của sự tạo phức đến tích chất hóa lý của M z+ [17]

Khi tạo phức chất xúc tác, electron sẽ phân bố lại thông qua việc di chuyển giữa ion kim loại trung tâm M z+ và ligan Sự phối trí giữa M z+ và ligan dẫn đến sự thay đổi một số tính chất quan trọng không chỉ ở ligan và cơ chất mà còn ở các ion phức.

1.6.2.1 Tăng tính bền thủy phân của ion kim loại

Trong dung dịch nước ion kim loại chuyển tiếp Mz+ khi tăng pH sẽ chuyển thành các phức chất hidroxo có hoạt tính thấp

M2+ + H2O tạo ra MOH+ và H+, làm giảm tính đồng thể của hệ thống do sự hình thành hydroxyt trung hòa M(OH)2 dưới dạng kết tủa hoặc keo, từ đó giảm nồng độ ion Mz+ Điều này dẫn đến sự giảm tốc độ các phản ứng được xúc tác bởi ion Mz+ Tốc độ thủy phân chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó tốc độ thủy phân tăng khi trạng thái oxy hóa (z+) cao hơn và số phối trí chưa bão hòa của ion trung tâm lớn hơn Do đó, trong môi trường pH cao, các ion kim loại chuyển tiếp dễ bị thủy phân Độ bền thủy phân của các ion Me z+ (như Cu2+, Fe2+, Ni2+) thường chỉ tồn tại trong khoảng pH < 3.

Khi cho ligan L vào dung dịch M z+, việc thay đổi pH sẽ làm tăng đáng kể độ bền của M z+ Giả sử L có hai nhóm chức tạo phức và ion M z+ có số phối trí tối đa là 6, ta có các trường hợp sau: Ở pH thấp, dung dịch sẽ có sự hiện diện của ion M z+ (chưa tạo phức với L) cùng với các dạng proton hóa của L như LH + và LH2 2+.

Theo chiều tăng của pH, các dạng proton hoá của ligan bị phân ly do dịch chuyển các cân bằng về phía tạo L

Nếu ligan là axit, ví dụ axit xitric, kí hiệu là H4L, thì sự phân ly diễn ra theo chiều:

Nhờ vậy mà một phần ion M z+ được liên kết vào các dạng phức chất:

M z+ + L LM z+ L2M z+ L3M z+ (I-4) Trong L có thể là phân tử trung hoà hoặc các dạng anion

Các dạng phức chất của M z+ cũng bị thuỷ phân tạo thành các phức chất hydroxo:

Quá trình tạo phức với ligan trong phản ứng 2 LM z+ + 2H2O ↔ L2M2(OH)2 (z-1)+ + 2H + (I-7) làm giảm số phối trí tự do của M z+, dẫn đến sự thủy phân của phức chất diễn ra chậm hơn và ở pH cao hơn Hằng số bền của các phức chất càng lớn thì tính chất đồng thể của dung dịch được bảo toàn ở pH cao, cho phép quá trình xúc tác bằng phức chất diễn ra ở môi trường trung tính và trong vùng pH của sự sống Đối với một số phức chất xúc tác, vùng pH hoạt động của xúc tác có thể mở rộng đến pH cao hơn.

Các cân bằng từ (I.1) đến (I.7) chỉ ra rằng sự tồn tại của M z+ phụ thuộc vào pH, dẫn đến nhiều dạng phức chất khác nhau Thay đổi pH có thể làm dịch chuyển cân bằng, tạo ra dạng phức chất có vai trò xúc tác, từ đó tăng tốc độ quá trình xúc tác theo mong muốn.

* Thay đổi thế oxy hoá-khử của ion kim loại

Thay đổi thế oxy hoá-khử ϕ của ion kim loại ảnh hưởng đến khả năng tham gia phản ứng oxy hoá-khử Ở một điều kiện nhất định, giá trị ϕ Me (z+1)+ /Mez+ có thể được tính bằng công thức ϕ o Me (z+1)+ /Mez+ - RT/F Ln([Me (z+1)+ ] / [Me z+ ]) Dựa vào giá trị ϕ, chúng ta có thể đánh giá khả năng phản ứng của dạng oxy hoá hoặc dạng khử với các tác nhân oxy hoá-khử khác.

Khi tạo phức, sự chuyển dịch electron giữa ion trung tâm và ligan làm thay đổi thế oxy hóa - khử của các dạng phức Mối quan hệ giữa thế oxy hóa - khử và độ bền của phức được thể hiện qua một phương trình cụ thể.

21 ϕ M (z+1)+ /Mz+ = ϕ o M (z+1)+ /Mz+ - RT/ F.ln(KLnM(z+1)+/KLnMz+) (I-8)

Các hiệu ứng và tương tác tĩnh điện giữa ligan và ion trung tâm, cùng với các yếu tố như hiệu ứng không gian, biến thiên entropi, và trạng thái oxy hoá của ion kim loại, cũng như độ phân cực của ligan, đã dẫn đến sự thay đổi hằng số bền của phức chất.

Thế oxy hoá-khử của phức chất là tiêu chuẩn quan trọng để chọn lựa phức chất xúc tác, vì mỗi phức chất đạt hoạt tính tối đa tại một giá trị nhất định Tuy nhiên, hiện tại chỉ có thể xác định giá trị thế oxy hoá-khử cho các phức chất bão hoà phối trí, trong khi việc xác định giá trị tối ưu cho phức chất gặp nhiều khó khăn, hạn chế quá trình tìm kiếm và lựa chọn phức chất-xúc tác Ligan đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định ion kim loại chuyển tiếp ở pH rộng và điều chỉnh thế oxy hoá-khử của các ion kim loại này.

1.6.2.2 Sự tạo phức làm tăng tốc độ của phản ứng

Các phương pháp xử lý nướ c th ả i[7]

Xử lý nước thải hiện nay là một nhu cầu cấp thiết do ô nhiễm nguồn nước ngày càng nghiêm trọng, chủ yếu từ nước thải sinh hoạt và công nghiệp chưa qua xử lý Nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau, vì vậy cần áp dụng các phương pháp xử lý phù hợp để bảo vệ môi trường.

Các phương pháp xửlý nước thải phổ biến hiện nay:

– Phương pháp vật lý xửlý nước thải

– Phương pháp hóa lý xửlý nước thải

– Phương pháp sinh học xửlý nước thải

Hình 4: Các phương pháp xử lý nước thải

1.7.1 Phương pháp vật lý xửlý nước thải Để tách các chất không tan ở dạng lơ lửng thường có mặt trong nước thải ra khỏi sử dụng các phương pháp cơ học như lọc qua song chắn rác hoặc lưới chắn rác, lắng dưới tác dụng của trọng lực hoặc lực ly tâm và lọc.Công nghệ xử lý thích hợp được lựa chọn tùy theo kích thước, tính chất lý hóa, nồng độ chất lơ lửng, lưu lượng nước thải và mức độ cần làm sạch

Các loại rác trôi nổi lớn như giẻ, vỏ đồ hộp, và bao nilon sẽ được giữ lại tại song chắn rác trước khi nước thải vào hệ thống xử lý Việc giữ lại rác lớn này giúp ngăn ngừa tắc nghẽn bơm, đường ống và kênh dẫn nước thải Chắn rác đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và tạo điều kiện làm việc thuận lợi cho toàn bộ hệ thống xử lý nước thải.

Song chắn rác được phân loại dựa trên kích thước khe hở, bao gồm loại thô, trung bình và mịn Cụ thể, song chắn rác thô có khoảng cách giữa các thanh từ 60 – 100 mm, trong khi song chắn rác mịn có khoảng cách từ 10 – 25 mm Ngoài ra, song chắn rác còn được phân thành dạng song và dạng lưới, và có thể được lắp đặt cố định hoặc di động.

Song chắn rác bằng kim loại được lắp đặt ở cửa vào kênh dẫn, có thể có dạng tròn, vuông hoặc hỗn hợp Trong đó, song chắn có tiết diện tròn tạo ra trở lực nhỏ nhất nhưng dễ bị tắc nghẽn bởi các vật cản Do đó, loại song chắn tiết diện hỗn hợp, với cạnh vuông góc phía sau và cạnh tròn phía trước, thường được ưa chuộng hơn vì hiệu quả trong việc ngăn chặn rác mà không gây cản trở dòng chảy.

1.7.1.2 Xử lý bằng phương pháp lắng cát Để tách các tạp chất vô cơ không tan có kích thước từ0,2mm đến 2mm ra khỏi nước thải nhằm đảm bảo an toàn cho bơm khỏi bị cát, sỏi bào mòn, tránh tắc đường ống dẫn và tránh ảnh hưởng đến các công đoạn xử lý sau ta sử dụng bể lắng cát Bể lắng cát chia thành 2 loại: bể lắng ngang và bể lắng đứng Ngoài ra bể lắng cát thổi khí cũng được sử dụng rộng rãi đểtăng hiệu quả lắng cát

Vận tốc dòng chảy trong bể lắng ngang không được vượt quá 0,3 m/s để đảm bảo các hạt cát, hạt sỏi và hạt vô cơ khác lắng xuống đáy, trong khi hầu hết các hạt hữu cơ vẫn không lắng và sẽ được xử lý tại các công trình tiếp theo.

1.7.1.3 Xử lý bằng phương pháp tuyển nổi

Phương pháp tuyển nổi là kỹ thuật hiệu quả để tách các tạp chất rắn hoặc lỏng không tan, giúp loại bỏ các chất lơ lửng trong xử lý nước thải Nó cũng có thể được áp dụng để tách các chất hòa tan như chất hoạt động bề mặt Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng loại bỏ nhanh chóng các hạt nhỏ, nhẹ, lắng kém, làm đặc bùn sinh học trong thời gian ngắn.

1.7.2 Phương pháp hóa lý xửlý nước thải

1.7.2.1 Xử lý bằng phương pháp trung hòa

Để tách loại một số ion kim loại nặng ra khỏi nước thải, người ta sử dụng các dung dịch axit hoặc muối axit, cũng như các dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm nhằm trung hòa dịch nước thải Một số hóa chất thường được sử dụng để trung hòa bao gồm CaCO3, CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2, NaOH, Na2CO3, H2SO4, HCl và HNO3.

Các phương pháp trung hòa bao gồm:

- Trung hòa dịch thải có tinh axit, dùng các loại chất kiềm như: NaOH, KOH, Na2CO3, NH4OH,

- Trung hòa lẫn nhau giữa nước thải chứa axit và nước thải chứa kiềm

Để trung hòa các dịch thải có tính kiềm, cần sử dụng các vật liệu như CaCO3, dolomit, và đá hoa cương, với kích thước hạt khoảng 3-8 cm Quá trình trung hòa có thể được thực hiện bằng cách sử dụng axit hoặc khí axit như SO2.

Việc sử dụng khí axit không chỉ giúp trung hòa nước thải mà còn nâng cao hiệu suất làm sạch khí thải khỏi các thành phần độc hại, từ đó giảm đáng kể chi phí cho quá trình trung hòa.

Lựa chọn tác chất thực hiện phản ứng trung hòa, phụ thuộc vào các yếu tố:

- Độ hòa tan của các muối được hình thành do kết quả phản ứng hóa học

- Loại axit hay bazơ có trong nước thải và nồng độ của chúng Ưu nhược điểm của phương pháp

*Ưu điểm : Tránh cho quá trình sinh hóa ở các công trình làm sạch và nguồn nước không bị phá hoại, ngăn ngừa hiện tượng xâm thực

* Nhược điểm : Tiêu tốn hóa chất dẫn đến tiêu tốn chi phí

1.7.2.2 Xử lý bằng phương pháp keo tụ tạo bông

Cơ sở lý thuyết của quá trình keo tụ

Trong nguồn nước, các hạt thường tồn tại dưới dạng hạt keo mịn phân tán, không nổi và không lắng, khiến việc tách loại chúng trở nên khó khăn Kích thước nhỏ của các hạt này tạo ra tỷ số diện tích bề mặt và thể tích lớn, làm cho hiện tượng hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng.

Các hạt nhỏ trong nước có xu hướng keo tụ nhờ lực hút Vander Waals, dẫn đến sự dính kết khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ do va chạm Va chạm này xảy ra nhờ chuyển động Brown và sự xáo trộn Tuy nhiên, trong phân tán keo, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện, do bề mặt các hạt mang điện tích âm hoặc dương từ việc hấp thụ ion trong dung dịch hoặc ion hóa các nhóm hoạt hoá.

Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hoá nhờ lực đẩy tĩnh điện

Các hạt keo bị trung hoà điện tích có khả năng liên kết với nhau, hình thành bông cặn lớn hơn và nặng hơn, dẫn đến hiện tượng lắng xuống Quá trình này được gọi là quá trình tạo bông, bao gồm nhiều giai đoạn từ sự thuỷ phân các chất keo tụ đến sự hình thành bông cặn.

Me 3+ + HOH = Me(OH) 2+ + H + Me(OH) 2+ + HOH = Me(OH) + + H + Me(OH) 2+ + HOH = Me(OH) + + H + Me(OH) + + HOH = Me(OH)3 + H + -

Để tách các chất ô nhiễm dạng keo và hòa tan hiệu quả qua phương pháp lắng, cần tăng kích thước của chúng bằng cách liên kết các hạt phân tán thành tập hợp Quá trình này yêu cầu trung hòa điện tích của các hạt, dẫn đến hiện tượng đông tụ.

- coagulation), tiếp đến là liên kết chúng với nhau tạo thành các hạt “bông keo” lớn hơn (quá trình keo tụ - flocculation)

Theo thành phần cấu tạo người ta chia hạt “bông keo” thành hai loại:

- Keo ưa nước (Liophitic): Các hạt keo hấp phụ các phần tử của môi trường và được bao bọc bởi lớp vỏ hydrat khá dầy

- Keo kỵnước (Liophotic): Hầu như không hấp phụ các phần tử của môi trường, thường là keo kim loại, sufua kim loại, các muối

Trong công nghệ xửlý nước, keo kỵnước đóng vai trò chủ yếu

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U

KẾ T QU Ả VÀ TH Ả O LU Ậ N