Vai trò quan trọng của pH trong phản ứng ôzôn và hiệu suất oxy hóa

Ozone (O₃) là một chất oxy hóa và khử trùng hiệu quả được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước, tái sử dụng nước thải và các quy trình oxy hóa nâng cao (AOP). Trong các biến số ảnh hưởng đến hoạt động của ozone, độ pH là yếu tố hóa học quan trọng nhất — chi phối độ ổn định, con đường phản ứng và hiệu suất oxy hóa tổng thể.

Tổng quan: Tại sao pH quan trọng với ozone?

pH ảnh hưởng trực tiếp đến cơ chế phân hủy ozone trong nước và tỷ lệ tạo gốc tự do (radical) — từ đó quyết định hiệu suất oxy hóa đối với các chất ô nhiễm khác nhau. Tùy mục tiêu xử lý (ví dụ: khử trùng trực tiếp hoặc sinh gốc •OH trong AOP), nhà thiết kế hệ thống cần chọn vùng pH thích hợp để cân bằng giữa tính ổn định và khả năng oxy hóa cao nhất.

Độ ổn định của ozone trong nước: pH kiểm soát tốc độ phân hủy

• pH acid (< 5): ozone tương đối ổn định; thời gian bán hủy khoảng 10–30 phút.
• pH trung tính (6–7.5): phân hủy bắt đầu tăng tốc, nhất là khi có chất xúc tác (ion kim loại, chất hữu cơ hòa tan).
• pH kiềm (> 8): phân hủy rất nhanh; thời gian bán hủy có thể chỉ còn 1 phút.

Hình minh họa: ảnh hưởng của pH lên độ ổn định của O₃ trong nước.

O₃ + OH⁻ → HO₂⁻ + O₂
HO₂⁻ ⇌ O₂⁻· + H⁺
O₃ + O₂⁻· → O₃⁻· + O₂ → lan truyền gốc tự do

Ý nghĩa kỹ thuật: Kiểm soát pH giúp cân bằng giữa bảo quản ozone (pH hơi axit – trung tính) và kích thích tạo gốc hydroxyl (pH kiềm trong AOP).

pH và con đường phản ứng: ozone trực tiếp vs. gốc •OH

Ở pH thấp, oxy hóa chủ yếu do phản ứng trực tiếp của ozone (O₃) với các nhóm chức trên chất ô nhiễm. Ở pH cao, chuỗi phản ứng gốc tự do dẫn đến hình thành gốc hydroxyl (•OH) — chất oxy hóa mạnh và phi chọn lọc.

Ứng dụng thực tế

• Khử trùng & ôzôn hóa trực tiếp: ưu tiên pH hơi axit – trung tính để duy trì nồng độ O₃ lâu hơn.
• AOP (Advanced Oxidation Processes): điều chỉnh pH về vùng kiềm để tăng sinh •OH và phá vỡ hợp chất bền.

Tác động đến oxy hóa kim loại và sự kết tủa

Ozone oxy hóa các kim loại hòa tan như Fe²⁺ → Fe³⁺, Mn²⁺ → MnO₂, As³⁺ → As⁵⁺. pH ảnh hưởng tốc độ phản ứng và khả năng kết tủa:

• pH thấp: oxy hóa chậm hơn, Fe³⁺ khó kết tủa.
• pH trung tính–kiềm nhẹ: Fe³⁺ dễ kết tủa dưới dạng Fe(OH)₃, thuận lợi cho lọc.

Chiến lược thực tế từ Ozone BKIDT

• Phân tích mẫu nước đầu vào (pH, chất hữu cơ, ion kim loại).
• Lựa chọn vùng pH tối ưu: bảo quản O₃ hoặc sinh gốc •OH.
• Thiết kế bể phản ứng tầng, điểm châm ozone và vùng kiểm soát pH.
• Trung hòa và lọc sau oxy hóa để loại bỏ cặn và sản phẩm phụ.

Liên hệ Ozone BKIDT để được tư vấn giải pháp điều chỉnh pH và thiết kế hệ thống AOP tối ưu.