Ứng dụng công nghệ Fenton cải tiến để xử lý nước thải dược phẩm

1. Ứng dụng công nghệ Fenton cải tiến để xử lý nước thải dược phẩm

Nước thải chứa các hợp chất dược phẩm (pharmaceuticals) ngày càng trở thành một vấn đề môi trường nghiêm trọng do sự gia tăng sản xuất và sử dụng dược phẩm trong y tế, nông nghiệp và các ngành công nghiệp liên quan. Các hợp chất này có tính ổn định cao, khả năng tích tụ trong môi trường và thậm chí gây ra các tác động tiêu cực đến sức khỏe con người cũng như hệ sinh thái.

rong bối cảnh đó, các công nghệ xử lý nước thải truyền thống thường không thể loại bỏ triệt để các chất dược phẩm.
Công nghệ Fenton, một trong những quá trình oxy hóa tiên tiến, dựa trên việc tạo ra các gốc hydroxyl (·OH) cực kỳ mạnh để oxi hóa và phân hủy các hợp chất hữu cơ.

Tuy nhiên, quá trình Fenton truyền thống cũng gặp không ít hạn chế (như điều kiện pH hẹp, sản sinh bùn sắt dư thừa, hiệu suất phản ứng hạn chế…), dẫn đến nhu cầu cải tiến và phát triển các hệ thống Fenton mới với hiệu quả cao hơn và khả năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải chứa các hợp chất dược phẩm.

2. Nguyên lý cơ bản của quá trình Fenton

Quá trình Fenton truyền thống dựa trên phản ứng giữa ion Fe²⁺ và hydrogen peroxide (H₂O₂) theo phương trình:

  Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + ·OH + OH⁻

Trong đó, gốc hydroxyl (·OH) sinh ra có khả năng oxi hóa mạnh, tấn công và phá vỡ cấu trúc của các phân tử hữu cơ, chuyển hóa chúng thành các sản phẩm cuối cùng là CO₂, H₂O và các ion vô cơ. Sau đó, Fe³⁺ có thể được khử lại thành Fe²⁺ (thông qua các quá trình tự phát hoặc hỗ trợ bởi ánh sáng, điện hay các chất khử) để tái tục phản ứng, tạo ra một vòng tuần hoàn xúc tác

3. Hạn chế của công nghệ Fenton truyền thống

Mặc dù quá trình Fenton có nhiều ưu điểm, nhưng ứng dụng thực tiễn của nó còn gặp một số hạn chế, đặc biệt là trong xử lý nước thải chứa các hợp chất dược phẩm:

• Điều kiện pH hạn chế: Quá trình Fenton truyền thống hoạt động tối ưu ở pH khoảng 2,8–3,5, trong khi hầu hết nước thải công nghiệp và sinh hoạt có pH trung hòa hoặc hơi kiềm. Việc điều chỉnh pH không chỉ tốn kém mà còn có thể gây ra vấn đề an toàn và xử lý bùn.
• Sản sinh bùn sắt: Quá trình Fenton tạo ra lượng lớn bùn chứa Fe(OH)₃, cần được xử lý riêng, làm tăng chi phí vận hành.
• Hiệu suất phản ứng bị giới hạn: Một số hợp chất dược phẩm có cấu trúc phức tạp, khó bị oxi hóa hoàn toàn, gây ra hiệu suất xử lý chưa đạt yêu cầu.

4. Các cải tiến công nghệ Fenton

Để khắc phục những hạn chế trên và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa hợp chất dược phẩm, nhiều hướng cải tiến đã được nghiên cứu:

4.1. Photo-Fenton

Photo-Fenton là quá trình Fenton kết hợp với ánh sáng (thường là ánh sáng tự nhiên hoặc tia UV) nhằm tái tạo Fe²⁺ từ Fe³⁺ nhanh chóng thông qua hiện tượng quang khử. Các phản ứng chủ yếu bao gồm:

  Fe³⁺ + H₂O + hv → Fe²⁺ + ·OH + H⁺

Quá trình này không chỉ mở rộng phạm vi hoạt động của Fenton ở điều kiện pH cao hơn mà còn tăng cường sản sinh gốc hydroxyl, từ đó cải thiện hiệu quả phân hủy các chất dược phẩm .

Cải tiến:

• Sử dụng ánh sáng mặt trời: Chất xúc tác Fe₂(MoO₄)₃ hấp thụ vùng vis.
• Hệ Z-scheme: Kết hợp TiO₂ và CuO để tăng hiệu suất lượng tử.
• Ví dụ: Xử lý Carbamazepine (thuốc chống động kinh) đạt 90% phân hủy sau 60 phút (UV + Fe³⁺/H₂O₂).

4.2. Electro-Fenton

Electro-Fenton sử dụng hệ thống điện để tạo ra H₂O₂ từ oxy hòa tan thông qua phản ứng điện hóa và đồng thời khử Fe³⁺ về Fe²⁺ trên mặt điện cực. Ưu điểm của công nghệ này là khả năng kiểm soát quá trình phản ứng, giảm thiểu lượng bùn sắt và có thể vận hành ở pH gần trung tính. Điều này rất phù hợp với môi trường nước thải thực tế chứa các hợp chất dược phẩm

Cơ chế: Điện phân tạo H₂O₂ tại chỗ và tái sinh Fe²⁺:

• Cực âm: O₂ → H₂O₂.
• Cực dương: Fe²⁺ → Fe³⁺ → tái sinh bằng điện tử.
  Công nghệ mới:
• Màng trao đổi proton (PEM): Ngăn cách vùng phản ứng, tăng hiệu suất.
• Điện cực xốp từ tính: Fe₃O₄@C làm cực âm, giảm 50% năng lượng.
• Hiệu suất: Loại bỏ 99% Sulfamethoxazole (kháng sinh) ở 2 V, pH 3.

4.3. Heterogeneous Fenton (Fenton hỗn hợp)

Thay vì sử dụng dung dịch ion sắt, các nhà nghiên cứu phát triển các chất xúc tác rắn chứa Fe (hoặc các kim loại chuyển tiếp khác) có khả năng kích hoạt H₂O₂. Các vật liệu xúc tác rắn này có thể hoạt động ở pH rộng hơn, dễ dàng tách ra và tái sử dụng, giảm thiểu rủi ro gây ô nhiễm từ bùn và tăng tính khả thi của quá trình xử lý nước thải .

4.4. Kết hợp Fenton với các công nghệ AOP khác

Các hệ thống lai như Fenton-ozone, Fenton-ultrasound hay kết hợp với màng lọc đã được nghiên cứu nhằm tăng cường hiệu quả phân hủy và tối ưu hóa chi phí vận hành. Sự kết hợp này giúp giảm bớt nhược điểm của từng công nghệ riêng lẻ và tạo ra một hệ thống tổng hợp có hiệu suất cao hơn trong việc loại bỏ các hợp chất dược phẩm phức tạp.

Fenton-Khử (Fenton-Like) với Chất Xúc Tác Thay Thế

• Kim loại chuyển tiếp (Cu, Mn): CuFe₂O₄ phân hủy Paracetamol ở pH 6.
• Vật liệu cacbon (Biochar): Biochar từ vỏ trấu mang Fe cho hiệu suất 85% với Diclofenac.

5. Ứng dụng trong xử lý nước thải chứa các hợp chất dược phẩm

Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ Fenton cải tiến vào xử lý nước thải chứa các hợp chất dược phẩm đã cho thấy nhiều kết quả khả quan:

• Phân hủy các hợp chất dược phẩm: Các nghiên cứu cho thấy photo-Fenton và electro-Fenton có khả năng phân hủy hiệu quả nhiều loại dược phẩm như kháng sinh (ví dụ: ciprofloxacin, amoxicillin), chất chống viêm, hormone và các hợp chất có tính chất kháng khuẩn. Các gốc hydroxyl sinh ra có thể oxi hóa các phân tử dược phẩm thành các sản phẩm trung gian không độc, sau đó được chuyển hóa hoàn toàn thành CO₂ và H₂O.
• Tối ưu hóa điều kiện phản ứng: Việc điều chỉnh nồng độ H₂O₂, liều lượng chất xúc tác, thời gian phản ứng và điều chỉnh pH đã được tối ưu nhằm đạt hiệu suất phân hủy cao nhất (thường đạt trên 80% sau vài giờ phản ứng) trong điều kiện vận hành gần với thực tế của nước thải.
• Giảm thiểu bùn sắt: Các cải tiến như electro-Fenton và heterogeneous Fenton giúp giảm lượng bùn phát sinh, qua đó giảm chi phí xử lý bùn phụ và làm cho quá trình vận hành trở nên hiệu quả hơn.

6. Các yếu tố ảnh hưởng và điều kiện tối ưu

Để đạt hiệu quả tối ưu trong ứng dụng công nghệ Fenton cải tiến, cần lưu ý một số yếu tố quan trọng:

• pH phản ứng: Công nghệ Fenton truyền thống yêu cầu pH thấp, nhưng các cải tiến (photo-Fenton, electro-Fenton) cho phép vận hành ở pH trung tính hoặc hơi axit.
• Nồng độ H₂O₂ và chất xúc tác: Cần tối ưu liều lượng H₂O₂ và nồng độ Fe (hoặc chất xúc tác rắn) sao cho tạo ra đủ gốc hydroxyl mà không gây phản ứng phụ tiêu tốn H₂O₂.
• Ánh sáng: Trong các hệ thống photo-Fenton, cường độ và bước sóng của ánh sáng (tự nhiên hoặc nhân tạo) có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ tái tạo Fe²⁺ và sản sinh gốc hydroxyl.
• Nhiệt độ và thời gian phản ứng: Điều chỉnh nhiệt độ có thể tác động đến tốc độ phản ứng và hiệu quả oxi hóa, trong khi thời gian phản ứng cần được cân đối giữa hiệu suất phân hủy và chi phí vận hành.

7. Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm:

• Hiệu quả oxi hóa cao: Công nghệ Fenton cải tiến có khả năng tạo ra lượng lớn gốc hydroxyl, giúp phân hủy hầu hết các hợp chất dược phẩm khó phân hủy.
• Khả năng vận hành linh hoạt: Các biến thể như photo-Fenton và electro-Fenton cho phép vận hành ở điều kiện pH rộng hơn và có thể dễ dàng điều chỉnh theo đặc điểm của nước thải.
• Giảm thiểu bùn phụ: So với quá trình Fenton truyền thống, các cải tiến giúp giảm lượng bùn sắt phát sinh, từ đó giảm chi phí xử lý.

Hạn chế:

• Chi phí đầu tư ban đầu: Các hệ thống cải tiến như electro-Fenton đòi hỏi đầu tư cho thiết bị điện và nguồn ánh sáng phù hợp.
• Quá trình tối ưu phức tạp: Việc điều chỉnh nhiều thông số phản ứng (pH, nồng độ H₂O₂, ánh sáng, liều lượng chất xúc tác) đòi hỏi quá trình thử nghiệm và tối ưu hóa kỹ lưỡng.
• Khả năng tái sử dụng chất xúc tác: Trong các hệ thống heterogeneous Fenton, vấn đề về độ bền và khả năng tái sử dụng chất xúc tác vẫn cần được cải thiện để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

8. Triển vọng và hướng phát triển

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Fenton cải tiến trong xử lý nước thải chứa các hợp chất dược phẩm đang là một lĩnh vực đầy tiềm năng, với những hướng phát triển chính như:

• Phát triển chất xúc tác mới: Tìm kiếm và chế tạo các vật liệu xúc tác mới có khả năng hoạt động ở pH trung tính, tái sử dụng cao và dễ dàng tách ra khỏi dung dịch.
• Kết hợp với các công nghệ xử lý khác: Tích hợp Fenton cải tiến với các quá trình xử lý khác (như màng lọc, hấp phụ, hoặc xử lý sinh học) nhằm tạo ra hệ thống xử lý nước thải tổng hợp có hiệu suất cao và chi phí thấp.
• Mô hình hóa và kiểm soát quá trình: Sử dụng các công cụ mô hình hóa và hệ thống điều khiển tự động để tối ưu hóa quá trình phản ứng, từ đó giúp giảm thiểu rủi ro và tăng tính ổn định của hệ thống trong điều kiện vận hành thực tế.

9. Kết luận

Công nghệ Fenton cải tiến, với các biến thể như photo-Fenton, electro-Fenton và heterogeneous Fenton, hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả để xử lý nước thải chứa các hợp chất dược phẩm. Nhờ khả năng tạo ra các gốc hydroxyl mạnh và điều chỉnh được các điều kiện phản ứng, các hệ thống này có thể đạt được hiệu suất phân hủy cao trong điều kiện vận hành linh hoạt.

Tuy nhiên, để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, cần giải quyết các vấn đề liên quan đến chi phí đầu tư, tối ưu hóa các thông số phản ứng và phát triển chất xúc tác bền vững.

Những tiến bộ trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Fenton cải tiến không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm do các hợp chất dược phẩm mà còn mở ra hướng đi mới cho các công nghệ xử lý nước thải xanh, hướng tới một tương lai bền vững và an toàn cho môi trường