Ứng dụng của ozon Hóa 10

Ozone là chất oxi hóa mạnh, được dùng rất phổ biến trên thế giới, trong cả hai môi trường không khí và nước để khử khuẩn, nấm mốc, khử mùi, khử màu. Khả năng khử khuẩn của ozon mạnh hơn hàng nghìn lần so với các hợp chất clor. Ozon tạo ra từ oxi và nhanh chóng phân hủy trở lại thành oxi O2 -->O3 -->O2. Vì vậy ozone là chất oxi hóa, chất khử khuẩn mạnh đồng thời thân thiện nhất với môi trường vì không dư đọng lâu trong nước và không khí. Ozone không đóng chai được, vì vậy ozone được sản xuất tại chỗ, tại nơi sử dụng bằng các máy phát ozone.

Người ta thường sử dụng ozone để :

• Xử lý nước đóng chai
• Xử lý nước bể bơi
• Xử lý nước Sinh hoạt
• Xử lý nước thải
• Xử lý nước nuôi thủy hải sản
• Xử lý mùi khí thải
• Khử trùng phòng sạch
• Bảo quản nông sản
• Khử khuẩn, dư lượng hóa chất độc hại trên thực phẩm …

1. Xử lý nước, diệt khuẩn nước trong các nhà máy nước lớn và các trạm cấp nước nhỏ vùng nông thôn kể cả nước cấp cho gia đình
     Các nhà máy, trạm cấp nước thường dùng nước sông hồ và ngước ngầm. Các loại nước đó đều nhiễm khuẩn và vi sinh vật cùng các chất hữu cơ tự nhiên (NOM) dưới dạng các chất hữu cơ hòa tan hoặc lơ lửng trong nước (kết quả của việc phân hủy xác các động thực vật). Trong nước cũng tồn tại các hợp chất ammonium NH4 là chất thải của động vật trong quá trình chuyển hóa và chu trình biến đổi giữa ammonia-ammonium và ure. Ngoài ra trong nước còn có các loại chất khoáng như Fe, Mn (đặc biệt đối với nước ngầm). Các công đoạn keo tụ, lắng, lọc làm cho nước trong nhưng chưa xử lý được hết vi khuẩn và các chất hữu cơ tự nhiên (NOM).
     Ozone tan trong nước phản ứng với ion OH- của nước, tạo ra các gốc tự do, đặc biệt là *OH. Ozone phân hủy và sinh ra oxi nguyên tử: O3-->O2 + O1. Như vậy khi ozone hòa tan trong nước, luôn tồn tại đồng thời ozone O3,  gốc tự do *OH và oxi  nguyên tử O1. Tất cả chúng đều là các tác nhân oxi hóa mạnh, nhất là *OH và O1. Các tác nhân oxi hóa đó làm cho nước ozone có thế oxi hóa ORP cao. Nước chứa ozone nồng độ 0.4-0.5 ppm (ORP >800 mV) có khả năng diệt khuẩn, cả vi khuẩn Gram âm, Gram dương, bào tử, kén và virus. Ozone loại bỏ dư lượng các chất bảo về thực vật, các chất hữu cơ tự nhiên (NOM) tan trong nước. Ngoài ra ozone còn kết tủa ion Fe và Mn, làm cho nước trong. Ozone khử mùi của nước ngầm. Vì các lý do đó mà ngày  nay ozone đang dần thay thế clor trong các nhà máy nước qui mô hàng trăm nghìn mét khối nước ngày đêm.

     Do ozone là chất diệt khuẩn mạnh nên chỉ cần liều lượng nhỏ ozone là đủ để loại bỏ các loại khuẩn. Thí dụ để loại bỏ 99.9 % (3-log)  khuẩn Giardia Cyst (gây viêm đường ruột) cần: 1.43 ppm Ozone X phút, 104 ppm Clor X phút và 1500 ppm Cloramin X phút (Theo Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ EPA). Các con số đó cho thấy ozone diệt khuẩn mạnh hơn cloramin cả nghìn lần.
     Ozone được trộn vào nước bằng cách xục khí ozone vào nước hoặc hút khí ozone vào dòng chảy của nước nhờ các ống venturi chuyên dụng. Các bọt khí thông thường có đường kính mili mét và có thể tạo ra các bọt khí  nhỏ, siêu nhỏ micro/nano mét. Các bọt khí tăng tiếp xúc giữa ozone và nước làm tăng khả năng khuyếch tán và hòa tan ozone vào nước.
     Nồng độ ozone trong nước dùng để khử khuẩn thường trong khoảng 0.3-0.5 ppm, nồng độ đó tương ứng với thế oxi hóa của nước là 600-800 mV.

2. Nước đóng chai 
Từ những năm 70-80 thế kỷ trước, ozone đã được dùng để xử lý nước đóng chai. Nước đóng chai trải qua nhiều công đoạn trong quy trình công nghệ, một trong công đoạn xử lý cuối cùng là diệt khuẩn bằng ozone. Hội nước đóng chai quốc tế (IBWA) khuyến cáo dùng liều lượng ozone 1-2 ppp trong 4-10 phút để diệt khuẩn và giữ mức 0.1-0.4 ppm trong quá trình đóng chai. Trong thực tế sản xuất nước, thường  người ta áp dụng liều lượng ozone 0.2-0.5 ppm trong 5-20 phút (Theo OzoneTech). Ozone sẽ phân hủy hoàn toàn sau một vài giờ, nhiều nhà sản xuất xuất xưởng nước đóng chai sau 24 giờ xử lý ozone. Ozone không chỉ khử khuẩn mà còn tham gia vào quá trình loại bỏ các tạp chất khác trong nước.

3. Xử lý nước bể bơi công cộng
     Bể bơi công cộng thường nhiễm khuẩn và các tạp chất hữu cơ chủ yếu từ người bơi và cả từ các sinh vật nhất là chim. Đấy là mồ hôi, dịch nước mũi, họng, thậm chí cả chất bài tiết. Mặt khác nước bể bơi trực tiếp tiếp xúc với mắt, tai, họng của người bơi. Vì vậy nước bể bơi cần được lọc, bổ xung nước sạch và khử khuẩn liên tục. Công đoạn khử khuẩn, loại bỏ các tạp chất hữu cơ, khử mùi là cấp thiết đối với nước bể bơi. Theo tiêu chuẩn của Đức (German DIN 19643), nồng độ ozone cần là 0.8 ppm tại 28oC và 1,2 ppm tại 33-35 oC. Ở Florida, vùng tương đối ấm, nồng độ cần cho bể bơi là 0.5 ppm.  Khoảng 15 phút ozone trong nước lại giảm đi 50% do ozone tương tác với tạp chất trong nước, vì vậy mỗi giờ phải xục ozone vào nước 4 lần để giữ nồng độ dư trên. Để khử khuẩn và khử mùi, cần giữ lượng ozone dư trong nước bể bơi trong khoảng 0.03-0.05 ppm (Nếu dùng clor thì lượng clor tự do dư phải là 0.6-1.5 ppm, chưa kể clor dưới dạng cloramin).  Khác với Clor, Brom, thuốc tím hay các hóa chất khử khuẩn khác, ozone trong bể bơi diệt khuẩn mạnh nhưng không làm cay mắt, không làm hại da. Ozone không tạo các sản phẩm phụ như cloramin (Khi dùng clor), MnO2 (Khi dùng thuốc tím). Độ hòa tan của ozone trong nước không phụ thuộc nhiều vào pH của nước.

4. Xử lý nước nuôi trồng hải sản
    A. Powell và J. Scolding tổng kết hàng loạt nghiên cứu về ảnh hưởng của xử lý  nước nuôi trồng hải sản bằng ozone lên tỷ lệ sống và phát triển của trứng, ấu trùng, con non và con trưởng thành các loại cá biển như cá hồi, cá tầm, cá tuyết, cá bơn..., các loại tôm, tôm hùm, cua, sò, bào ngư... Các nghiên cứu xử lý nước nuôi hải sản bằng ozone cho thấy tỷ lệ trứng, ấu trùng sổng cao hơn. Nước xử lý ozone thường có nồng độ 0.01–0.3 ppm hoặc dưới 1 ppm; thời gian là vài chục phút hàng ngày, kéo dài nhiều ngày. Nước có ORP khoảng 300 mV. Kết quả cho thấy tỷ lệ phần trăm trứng cá hồi nở nhiều hơn, tỷ lệ ấu trùng sống cao hơn so với nước không xử lý. Tổng quan cũng cho thấy không để nồng độ ozone quá cao, có thể ảnh hưởng tới tốc độ phát triển của ấu trùng. Tác giả cho biết số lượng các bài báo khoa học về việc xử lý nước nuôi hải sản bằng ozone tăng mạnh: giai đoạn 1975-1980: 100 công trình, 1995-2000: 1000 công trình và 2010-2015: 7000 công trình. Với số công trình nghiên cứu lớn như vậy việc phân tích, đánh giá và áp dụng chúng vào thực tế đòi hỏi sự phân tích tỷ mỷ. Có thể kết luận là xử lý nước nuôi hải sản bằng ozone là có ích, song với mỗi điều kiện cụ thể cần áp dụng các phương pháp  cụ thể vì rằng hệ sinh thái nuôi hải sản là rất phức tạp và cần sự cân bằng giữa Vật nuôi –Thức ăn-Chất thải-Nhiệt độ-Ánh sáng-Độ pH-Tảo-Các hóa chất trong đó có ozone.

5. Xử lý nước thải
     Nước thải đô thị và nước thải công nghiệp được thải ra trong quá trình sử dụng nước trong sinh hoạt và trong các ngành công nghiệp như sản xuất giấy, vải, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp hóa chất, sản xuất thuốc, khai mỏ, công nghiệp thép và rất nhiều các ngành nghề khác. Nước thải bao gồm: carbon hữu cơ (vài chục mg/L), tổng chất rắn lơ lửng TSS (xung quang 100 mg/L), tổng nitơ (30-50 mg/L).
Nước thải sinh hoạt lại gồm nước thải đen (chất thải của người và có nhiều vi khuẩn gây bệnh), nước thải xám (nước thải giặt, rửa...). Chúng chiếm trên 99% tổng lượng nước thải. Trong nước thải (nước cống) có các chất hữu cơ phân hủy từ thức ăn thừa, xác động vật, các chất hữu cơ dễ bay hơi, các hợp chất carbon hữu cơ carbohydrat/chất bột (11-18 %), protein (8-10 %), amino acid tự do (0.5-1.5 %), acid béo (23-25 %), các acid hữu cơ hòa tan (7-11 %) và các loại hợp chất hữu cơ khác (25-28 %). Nước thải thường có mùi gây ra bởi H2S, amine (CHn-NHm), ammonia (NH3), skatole (C9H9N) và indole (C8H7N)...
     Chất thải công nghiệp là sản phẩm thải ra trong các quá trình sản xuất, vì vậy chất thải này phụ thuộc nhiều vào các ngành công nghiệp cụ thể, thường thì chất thải công nghiệp gồm ba loại: Chất thải hóa chất (kiềm, acid, dầu mỡ...). Chất thải rắn (mảnh, mẩu kim loại, gỗ, giấy, nhựa...) và chất thải có độc tính (chứa chì, thủy ngân selen, asen, nitrat, nitrit...).
     Các chỉ số quan trọng của nước thải là COD: Nhu cầu oxi hóa học, mức oxy cần để thực hiện các phản ứng oxy hóa với các tạp chất thải, vi sinh vật.  Nước càng nhiễm bẩn, COD càng lớn.
BOD: Nhu cầu oxy để vi sinh vật phát triển. Nước càng nhiều khuẩn, BOD càng lớn (COD5: một vài trăm mg/L, số 5 chỉ lượng oxi tiêu hao trong 5 ngày). Nước thải công nghiệp có thể có chỉ số BOD rất lớn 800-1000 mg/L.
Thí dụ, nước thải trong công nghiệp sữa gồm: Đường, protein, chất béo. BOD trong chất thải công nghiệp sữa trong khoảng 800-2500 mg/L, COD khoảng 2 lần rưỡi BOD, tổng chất rắn hòa tan TSS: 100-1000 mg/L và nhiều loại khuẩn có hại.
    Ozone diệt khuẩn và phân hủy các chất hữu cơ tự nhiên NOM, kết quả là làm  cho BOD giảm rất mạnh. Ozone làm COD giảm nhưng mức độ thấp hơn.
    Với thành phần phức tạp như vậy nên công nghệ xử lý nước thải rất đa dạng, chủ yếu dựa trên công nghệ xử lý vi sinh. Một cách rất tóm tắt, quá trình xử lý nước thải gồm hai -ba giai đoạn: giai đoạn 1 là loại bỏ tất cả các tạp chất thô, lơ lửng trong nước và giai đoạn 2 là dùng bùn hoạt tính tạo ra các sinh khối sợi đóng vai trò màng lọc sinh học, thúc đẩy quá trình lắng. Sau đó nước được xử lý lọc cát, lọc tinh và có thể tái sử dụng (giai đoạn 3). Quá trình sinh học có thể tạo ra khí metan dùng làm nguồn năng lượng. Chất thải trong quá trình lắng có thể dùng làm phân bón cho cây trồng. Ozone có thể tham gia vào tất cả các công đoạn xử lý nước thải nói trên, cụ thể là:
- Xử lý ozone sơ cấp: Ozone tác động đến rất nhiều thông số của nước thải: Ozone làm giảm mùi, màu, diệt khuẩn, virus, nấm, mốc, vi tảo. Ozone tham gia vào quá trình phân hủy các chất hữu cơ tự nhiên NOM lơ lửng hay hòa tan trong nước, các chất hữu cơ dễ bay hơi VOCs.  Ozone phản ứng với Fe, Mn, xenua, benzen và các tạp chất khác, làm chúng thay đổi  và loại bỏ chúng. Kết quả là ozone làm giảm mạnh (nhiều lần) chỉ số BOD của nước thải.
- Xử lý ozone thứ cấp: Bùn hoạt tính đóng vai trò quan trong trong giai đoạn 2 của quá trình xử lý nước thải. Vi khuẩn sợi (felamentous bacteria) là thành phần chính của bùn hoạt tính. Chúng tạo ra một sinh khối sợi đóng vai trò lưới lọc sinh học. Ozone nồng độ thấp sử dụng trong công đoạn xử lý bùn hoạt tính phản hồi (RAS) kích thích sự phát triển và hoạt  động của vi khuẩn sợi và tăng cường tạo lớp sinh khối sợi, thúc đẩy quá trình kết tụ và lắng đọng. Ozone có thể dùng để diệt khuẩn trong giai đoạn 3, sau khi nước đã được lọc cát và lọc tinh.

6. Khử khuẩn không khí
     Phòng mổ, phòng pha chế thuốc, phòng thí nhiệm vi sinh, phòng chế biến thực phẩm... và rất nhiều địa điểm khác cần được vô trùng, vô trùng các bề mặt như trần nhà, sàn nhà, tường, bàn ghế tủ và bề mặt các thiết bị, họng khí trong phòng cũng phải khử khuẩn. Các phương pháp truyền thống như phun hóa chất (cồn, dung dịch nước plasma hóa, dung dịch nước điện phân...), dùng tia cực tím UV hay dùng màng HEPA đã được thử nghiệm. Các phương pháp đó có một số nhược điểm chính là gây cháy nổ (cồn), không triệt để (tia UV), dư đọng hóa chất. Khí ozone là chất diệt khuẩn tốt nhất đối với môi trường không khí. Nồng độ ozone từ 0.5 – 5 ppm, thời gian 15 phút có thể loại bỏ 70-93 % khuẩn trong không khí (Kenneth K. K. LAM). Tại Bệnh viện đa khoa Hà Đông, sau 30 phút xử lý ozone nồng độ 5 ppm phòng mổ, độ giảm khuẩn vượt 95 % (số MPN đếm được giảm trên 95%) (số liệu 2020). Ozone diệt khuẩn trong các giọt nước li ty, kích thước micro mét, lơ lửng trong không khí và ozone diệt cả khuẩn trên bề mặt tường, trần, sàn nhà, bề mặt bàn ghế, dung cụ trong phòng mổ.
     Như vậy với thời gian xử lý không lâu, ~ 30 phút, nồng độ ozone cần không quá cao (0.5-5 ppm), không khí đã được làm sạch khuẩn. Cần lưy ý rằng, khi khử khuẩn không khí bằng ozone (và cả bằng các hóa chất khác) con người không được có mặt và chỉ được vào phòng sau khi nồng độ ozone trở về mức cho phép (0.1 ppm). Cần điều khiển máy phát ozone hoạt động sao cho trong không gian xử lý mức ozone đạt giá trị dự kiến vì ozone tự phân hủy thành oxi sau vài chục phút.
Các phòng sạch trong công nghệ vi sinh, phòng nuôi cấy tế bào, phòng pha chế dược phẩm, phòng đóng gói thuốc, các dây chuyền chế biến, đóng gói thực phẩm, phòng khách khách sạn, phòng ăn tập thể, phòng hát karaoke...có thể dùng ozone làm sạch không khí. (Chú ý xử lý ozone khi không có người).

7. Bảo quản thực phẩm
     Thực phẩm, rau quả tươi thường được chiếu xạ để diệt khuẩn, tuy nhiên đây là phương pháp tốn kém và đòi hỏi nguồn phóng xạ (tia gamma, đồng vị Cobalt...)  và phức tạp khi sử dụng. Các hóa chất khác như sulfur, hypoclorid acid, H2O2...cũng được sử dụng. Tuy  nhiên hóa chất ngày nay không được ưa chuộng. Ozone là lựa chọn thích hợp để bảo quản thực phẩm vì ozone diệt khuẩn, nấm mốc rất tốt trong cả hai môi trường nước và khộng khí nên có thể rửa, ngâm thực phẩm trong nước ozone hóa và cũng có thể dùng khí ozone để bảo quả kho lương thực. Sau đó ozone phân hủy thành oxi, không dư đọng trong thực phẩm.
Rau quả tươi khi chín trở nên ngọt hơn, mềm hơn và ngon hơn. Đấy là kết quả của các hocmon khí (ethylen, dioxit carbon) sinh ra và bao quanh  quả. Nếu quá trình đó kéo dài, quả bị chín quá và bắt đấu quá trình phân rã (nẫu). Lý do nữa làm cho quả bị phân rã, bị hỏng là do các vi sinh vật ngoại lai và các loại vi sinh vật ký sinh luôn ăn theo cây và quả đó. Vì vậy, khử khuẩn thực phẩm nói chung và rau quả tươi nói riêng là bảo vệ được chúng khỏi thối rữa do vi khuẩn.
Có thể ngâm, rửa rau quả tươi trong nước ozone với thế oxi hóa ORP >600 mV trong thời gian 10-16 phút. Nước ozone hóa có thể bổ sung thêm H2O2 . Có thể xử lý rau quả bằng khí ozone nồng độ và thời gian khác nhau. Độ giảm khuẩn đạt 1-3 log (90-99%).          Các nghiên cứu cho thấy ozone không làm thay đổi màu sắc và chất lượng dinh dưỡng của rau quả. Một số nghiên cứu còn cho biết ozone giữ được hàm lượng anthocyamin (chất chống oxi hóa và tạo màu vàng-đỏ cho hoa quả).
     Rất nhiều loại rau-quả tươi đã được nghiên cứu xử lý bằng ozone (khí và nước). Đấy là táo, lê, nho, ca rót, dâu tây, rau riếp, cà chua, nhãn, vải...Nồng độ ozone thường là một vài ppm (khí và nước ozone) cho đến vài chục ppm (khí ozone). Xử lý ozone thường kết hợp bảo quản lạnh (dưới 100C). Thời gian bảo quản vài chục ngày cho tới hai ba tháng.
     Ngoài rau quả tươi, ozone (nước và khí) được dùng trong quá trình chế biến thịt, cá, sữa, pho mai và các thực phẩm khác. Thịt bò và gia cầm được nghiên cứu nhiều nhất. Nồng độ ozone trong nước được thông báo rất khác nhau: có thể dưới 1 ppm có thể vài chục ppm. Mỗi trường hợp đều có qui trình riêng. Độ giảm khuẩn đạt 1-3 log. Các nghiên cứu thường dùng kết hợp ozone với các chất khử khuẩn khác (Agnieszka Joanna Brodowska, Agnieszka Nowak & Krzysztof Śmigielski).
     Một ứng dụng quan trọng nữa của ozone là bảo quản ngũ cốc trong các nhà kho. Hàng năm, loài ngươì mất tới 10 % ngũ cốc do nhiều nguyên nhân, trong đó có tổn hao trong quá trình bảo quản do bị côn trùng phá hoại. Người ta đã dùng môi trường CO2, nitơ...trong nhà kho để chống lại côn trùng và nấm mốc. Trong môi trường thiếu oxi nhiều côn trùng và sinh vật không thế sống được. Ozone dạng khí cũng được ứng dụng để bảo quản ngũ cốc. Ozone có khả năng giết chết các loại côn trùng kể cả chuột và vi sinh vật như nấm mốc. Ozone tự phân hủy thành oxi và không dư đọng trong ngũ cốc. Đấy là hai thế mạnh của ozone dùng trong các kho lương thực. Trong môi trường khí ozone nồng độ 50 ppm trứng, ấu trùng bọ cánh bướm (Ephesia Kuehniella) bị diệt tới 100 %, trứng mọt thóc (tribolium confusum) khó diệt hơn, ấu trùng có thể diệt tới 70% (Isikberg). Ozone không ảnh hưởng đến khả năng nảy mầm của hạt ngô. Hiệu quả của ozone còn phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ ozone, cách sắp xếp ngũ cốc trong nhà kho, lưu lượng khí ozone...

8. Khử mùi bằng ozone
     Các phần tử gây mùi là các chất hữu cơ dễ bay hơi hay các loại khí phân hủy từ xác động vật và sinh vật nói chung (xem mục 5, xử lý nước thải). Nước thải, phân rác, trại chăn nuôi gia súc, nơi chế biến thực phẩm, thịt cá...là nơi thường phát tán mùi khó chụi. Ozone rất nhậy cảm và phá hủy các chất và khí gây  mùi. Ozone oxi hóa các hợp chất gây mùi, kết hợp với chúng hoặc phá hủy cấu trúc của chúng, biến các phân tử gây mùi thành hợp chất không mùi.
     Ozone khử mùi khói thuốc là, khử mùi phát ra từ các đám cháy, mùi thịt, cá nướng cháy, mùi nhà bếp,  mùi nhà hàng, mùi thực phẩm ôi, mùi xúc vật chết, mùi hoa quả nẫu và cả mùi giầy, mùi ô tô công cộng, mùi chuồng nuôi gia súc...Ozone khử mùi rất nhiều hóa chất hữu cơ như aceton, mùi cồn, mùi amine, mùi sơn, mùi mốc... (Xem: , ozone clean). Khó có thể viết chính xác các phản ứng hóa học trong tương tác của ozone với các mùi nêu trên. Thí dụ thành phần hóa học cụ thể của “mùi nhà bếp” là gì thì rất khó trả lời, chúng rất phức tạp và là tập hợp của nhiều hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Như vậy ozone có khả năng tương tác với rất nhiều hợp chất, nhất là các hợp chất hữu cơ bằng một cơ chế là oxi hóa vì ozone là chất oxi hóa rất mạnh.
     Với các thông tin trên, ozone có thể dùng để kiểm soát, loại bỏ mùi tại các trại chăn nuôi, các nhà bếp, nhà hàng, các cơ sở chế biến thực phẩm và các cơ sở sản xuất thường phát tán các  mùi đặc trưng. Khí ozone được sử dụng để khử mùi trong các trường hợp trên. Nồng độ ozone vài chục ppm được dùng để xử lý mùi các không gian kín trong vài chục phút và trong thời gian đó, không để có người làm việc bên trong. Trong quá trình xử lý, không khí cần được chuyển động liên tục để ozone tiếp xúc tốt với các phần tử phát ra mùi và các bề mặt chứa các phần tử đó. Sau khi xử lý, cần mở tất cả các cửa và dùng hệ thống quạt thông thoáng. Như vậy trong khoảng15 phút sau khi tắt máy ozone, nồng độ ozon giảm xuống mức cho phép (dưới 0.1 ppm) và người có thể tiếp tục làm việc. Có thể dùng ozone nồng độ thấp 0.1 ppm liên tục (8 giờ) để xử lý không khí. Cần làm cho ozone phân bố đều trong khu nhà xưởng xử lý thịt cá, trại chăn nuôi. Với nồng độ ozone 0.3 ppm, hiệu quả khử mùi tốt hơn nhưng thời gian người tiếp xúc với ozone chỉ được phép là 15 phút. Ozone không chỉ khử mùi mà còn khử khuẩn không khí, làm cho không khí sạch hơn, trong lành hơn.