BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
PHẠM NGỌC CHỨC
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MỘT SỐ OXIT HỖN HỢP CHỨA
Fe (Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd) KÍCH THƯỚC NANOMET ỨNG
DỤNG ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC SINH HOẠT
LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC
HÀ NỘI – 2016
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………
PHẠM NGỌC CHỨC
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MỘT SỐ OXIT HỖN HỢP
CHỨA Fe (Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd) KÍCH THƯỚC
NANOMET ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG
NƯỚC SINH HOẠT
LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC
Chuyên ngành: Hóa Vô cơ
Mã số: 62.44.01.13
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Lưu Minh Đại
2. TS Nguyễn Đức Văn
Hà Nội – 2016
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn PGS.TS
Lưu Minh Đại và TS Nguyễn Đức Văn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn
thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa học và bộ phận phụ
trách đào tạo sau đại học Viện Hóa học, Phòng đào tạo Học Viện Khoa học và
Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận
án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình
học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Đào Ngọc Nhiệm phòng Vật liệu vô cơ –
Viện khoa học vật liệu đã hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi
trong quá trình hoàn thành luận án. Qua đây tôi cũng xin chân thành cảm ơn CN
Đoàn Trung Dũng và các anh chị em cùng các bạn đồng nghiệp của phòng vật
liệu Vô cơ – Viện khoa học Vật liệu đã giúp tôi một số thí nghiệm trong quá
trình thực hiện luận án.
Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến các
thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp và gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi hoàn
thành luận án
Tác giả luận án
Phạm Ngọc Chức
Phạm Ngọc Chức
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS. TS Lưu Minh Đại và TS Nguyễn Đức Văn. Các số liệu
trích dẫn đều có nguồn gốc, các kết quả trong luận án là trung thực và chưa
từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án
Phạm Ngọc Chức
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BET
Brunauer- Emmett- Teller
GAC
Granular activated carbon: Than cacbon hoạt tính dạng hạt
FTIR
PZC
Fourier Transform Infrared Spectroscopy: Phương pháp phổ
hồng ngoại
X – ray Photoelectron Spectroscopy: Phương pháp phổ kế quang
điện tử tia X
Extended X-ray Absorption Fine Structure: Cấu trúc tinh tế của
hấp thụ tia X
Point of Zero Charge: Điểm điện tích không
CS
Combustion Synthesis: Tổng hợp đốt cháy
PVA
Poli Vinyl Ancol
KL/PVA
Tỉ lệ số mol ion kim loại và PVA
DTA
Differential Thermal Analysis: Phân tích nhiệt vi sai
TGA
Thermal Gravity Analysis: Phân tích nhiệt trọng lượng
SEM
Scanning Electron Microscopy: Hiển vi điện tử quét
XRD
X-Ray Diffraction: Nhiễu xạ tia X
TEM
Transmission Electron Microscopy: Hiển vi điện tử truyền qua
SBET
Diện tích bề mặt xác định theo phương pháp BET
AAS
CTA
Atomic Absorption Spectrophotometric: Phương pháp quang
phổ hấp thụ nguyên tử
Cát thạch anh
BTN
Bentonit
HTH
FM/CTA
Than hoạt tính
Vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/cát thạch anh
FM/BTN
FM/THT
IOCS
Vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/bentonit
Vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/than hoạt tính
Oxit sắt phủ cát
XPS
EXAFS
GC
γ – Fe2O3/cát thạch anh
MC
β – MnO2/cát thạch anh
qmax
Dung lượng hấp phụ cực đại đơn lớp
MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Mục lục các hình
Mục lục các bảng
Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt
MỞ ĐẦU
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
3
1.1. Tổng quan tình hình ô nhiễm nước trên thế giới
3
1.1.1. Sự tồn tại của asen
3
1.1.2. Tình hình ô nhiễm asen trên thế giới
3
1.1.3. Tình hình ô nhiễm assen trong nguồn nước ngầm tại Việt Nam
5
1.2. Các phương pháp loại bỏ asen ra khỏi nguồn nước
6
1.2.1. Phương pháp keo tụ
6
1.2.2. Phương pháp oxi hóa
7
1.2.3. Phương pháp màng
7
1.2.4. Phương pháp trao đổi ion
8
1.2.5. Phương pháp hấp phụ
9
1.3.
11
Tổng quan về vật liệu xử lý asen
1.3.1. Vật liệu hấp phụ chứa oxit sắt
11
1.3.2. Vật liệu hấp phụ chứa oxit mangan
13
1.3.3. Vật liệu hấp phụ chứa oxit titan
15
1.3.4. Vật liệu hấp phụ chứa oxit đất hiếm
16
1.4.
17
Phương pháp tổng hợp vật liệu
1.4.1. Phương pháp đồng kết tủa
19
1.4.2. Phương pháp sol - gel
20
1.4.3. Phương pháp thủy nhiệt
21
1.4.4. Phương pháp đốt cháy gel polyme
22
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC
25
NGHIỆM
2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu
25
2.1.1. Hóa chất
25
2.1.2. Chế tạo vật liệu nano oxit hỗn hợp chứa sắt (hệ Fe – Mn, Fe – Ti,
25
Fe – Nd)
2.1.3. Chế tạo vật liệu trên nền chất mang
26
2.2. Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu
27
2.2.1. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA, TGA)
28
2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
29
2.2.3. Phổ tán xạ tia X (EDS)
30
2.2.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét
31
2.2.5. Phương pháp đo diện tích bề mặt (BET)
32
2.2.6. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR)
32
2.2.7. Phương pháp phổ tán xạ Raman
33
2.2.8. phương pháp xác định điểm điện tích không của vật liệu
33
2.3. Các phương pháp phân tích hóa học
34
2.3.1. phương pháp hấp phụ nguyên tử xác định hàm lượng Asen
34
2.3.2. Phương pháp so màu xác định hàm lượng Fe, Mn
34
2.4. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu
35
2.4.1. Phương pháp hấp phụ tĩnh
35
2.4.2. Phương pháp hấp phụ động
39
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
41
PHẦN I: Vật liệu nano Fe2O3 – TiO2
41
3.1.1. Tổng hợp vật liệu hệ nano oxit Fe2O3 – TiO2 bằng phương pháp
41
đốt cháy gel PVA
3.1.1.1. Lựa chọn nhiệt độ nung
41
3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH
43
3.1.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel
44
3.1.1.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ mol Fe/Ti
45
3.1.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen trên vật liệu nano oxit hỗn
46
hợp Fe2O3 – TiO2
3.1.2.1.
Xác định điểm điện tích không (pHpzc)
46
3.1.2.2. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ
47
3.1.2.3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(V)
48
3.1.2.4. Xác định dung lượng hấp phụ asen
49
PHẦN II: Vật liệu nano NdFeO3
53
3.2.1. Tổng hợp vật liệu vât nano oxit NdFeO3 bằng phương pháp đốt
53
cháy gel PVA
3.2.1.1. Lựa chọn nhiệt độ nung
53
3.2.1.2. Ảnh hưởng của pH tạo gel đến quá trình hình thành pha
54
perovskit NdFeO3
3.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel đến quá trình hình thành pha
56
perovskit NdFeO3
3.2.1.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol kim loại với PVA đến quá trình hình
57
thành pha perovskit NdFeO3
3.2.2. Nghiên cứu quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit NdFeO3
59
3.2.2.1. Xác định điểm điện tích không (pHpzc) của vật liệu NdFeO3
59
3.2.2.2. Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
60
3.2.2.3. Sự hấp phụ As(V) trên vật liệu NdFeO3
65
3.2.2.4. Động học hấp phụ As(V)
69
PHẦN III: Vật liệu nano Fe2O3 – Mn2O3
74
3.3.1. Tổng hợp hệ vật liệu hệ Fe2O3 – Mn2O3 bằng phương pháp đốt
74
cháy gel PVA
3.3.1.1. Lựa chọn nhiệt độ nung
74
3.3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel
76
3.3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol kim loại
77
3.3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel
78
3.3.2. Nghiên cứu ứng dụng vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3 hấp
79
phụ As(V)
3.3.2.1. Nghiên cứu khả năng hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit hỗn hợp
79
Fe2O3 – Mn2O3
3.3.2.2. Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ asen
85
của vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3
3.3.2.3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 –Mn2O3 trên nền
88
chất mang ứng dụng để hấp phụ As(V) trong nước sinh hoạt.
3.3.2.4. Khả năng hấp phụ tĩnh asen trên vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe –
91
Mn/CTA
3.3.2.5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ động asen trên cột chứa Fe2O3 –
93
Mn2O3/CTA
3.3.2.6. Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu nano oxit hỗn hợp hệ
97
Fe – Mn/CTA
3.3.2.7. Sử dụng vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/CTA trong thiết bị hấp
98
phụ loại bỏ asen khỏi nước sinh hoạt
KẾT LUẬN
99
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
100
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
101
TÀI LIỆU THAM KHẢO
102
PHỤ LỤC
MỤC LỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ khối của phương pháp sol – gel
20
Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp vật liệu bằng phương pháp đốt cháy gel PVA
26
Hình 2.2. Sơ đồ tổng hợp vật liệu oxit trên nền chất mang
27
Hình 2.3. Hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể chất rắn
29
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel (Ti+Fe)/PVA
41
Hình 3.2. Giản đồ XRD của mẫu nung gel (Fe+Ti)/PVA ở nhiệt độ nung
42
khác nhau
Hình 3.3. Giản đồ XRD của mẫu Fe2O3 – TiO2 được chế tạo ở các pH khác
43
nhau
Hình 3.4. Giản đồ XRD của mẫu Fe2O3 – TiO2 được chế tạo ở nhiệt độ tạo
44
gel khác nhau
Hình 3.5. Giản đồ XRD của mẫu Fe2O3 – TiO2 được chế tạo ở tỷ lệ mol
45
Fe/Ti khác nhau
Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu Fe2O3 – TiO2 được chế tạo ở điều kiện tối ưu
46
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của thế zeta của vật liệu Fe2O3 –
47
TiO2 vào pH
Hình 3.8. Sự hấp phụ As(V) theo thời gian trên vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3
48
– TiO2
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe2O3
49
– TiO2 vào pH
Hình 3.10. Sự hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 – TiO2
51
Hình 3.11. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel (Nd+Fe) /PVA
53
Hình 3.12. Giản đồ XRD của mẫu NdFeO3 nung ở nhiệt độ khác nhau
54
Hình 3.13. Giản đồ XRD của mẫu NdFeO3 được chế tạo ở pH khác nhau
55
Hình 3.14. Giản đồ XRD của mẫu NdFeO3 được chế tạo ở nhiệt độ tạo gel
56
khác nhau
Hình 3.15. Giản đồ XRD của mẫu NdFeO3 được chế tạo ở các tỷ lệ KL/PVA
57
khác nhau
Hình 3.16: Hình (a) ảnh SEM và (b) và (c) ảnh TEM của mẫu tối ưu
58
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của thế zeta vào pH của dung dịch
59
trước và sau khi hấp phụ As(V) trên vật liệu NdFeO3
Hình 3.18. Dung lượng hấp phụ As(V) theo thời gian trên vật liệu NdFeO3
60
Hình 3.19. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ As(V) trên vật liệu
62
NdFeO3 vào pH
Hình 3.20. Đồ thị biễu sự hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit NdFeO3
64
Hình 3.21. Phổ EDS của vật liệu NdFeO3; a) trước hấp phụ; b) sau hấp phụ
66
Hình 3.22. Phổ FTIR của vật liệu NdFeO3. a) trước hấp phụ; b) sau hấp
67
phụ As(V)
Hình 3.23. Phổ Raman của vật liệu NdFeO3. a) trước hấp phụ; b) sau hấp
68
phụ As(V)
Hình 3.24. a) Đồ thị động học bậc 1 biểu kiến; b) Đồ thị động học bậc 2
70
biểu kiến hấp phụ As(V) trên vật liệu NdFeO3
Hình 3.25. Sự phụ thuộc lnK vào 1/T
72
Hình 3.26. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel (Mn – Fe)/PVA
74
Hình 3.27. Giản đồ XRD của mẫu Fe2O3 – Mn2O3 được chế tạo ở nhiệt độ
75
khác nhau
Hình 3.28. Giản đồ XRD của mẫu Fe2O3 – Mn2O3 tổng hợp ở pH khác nhau
76
Hình 3.29. Giản đồ XRD của mẫu Fe2O3 – Mn2O3 chế tạo ở tỷ lệ Fe/Mn
77
khác nhau
Hình 3.30. Giản đồ XRD của mẫu Fe2O3 – Mn2O3 được tổng hợp ở nhiệt
78
độ tạo gel khác nhau
Hình 3.31. Ảnh SEM của mẫu Fe2O3 – Mn2O3 nung ở 5500C
79
Hình 3.32. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của thế zeta của Fe2O3 – Mn2O3
80
vào pH
Hình 3.33. Biễu diễn sự hấp phụ As(V) theo thời gian trên vật liệu oxit hỗn
80
hợp Fe2O3 – Mn2O3
Hình 3.34. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe2O3
82
– Mn2O3 vào pH
Hình 3.35. Sự hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3
84
Hình 3.36. Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit nano hệ Fe –
92
Mn/CTA
Hình 3.37. Sơ đồ cột hấp phụ
94
MỤC LỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Nồng độ asen trong nước ngầm của một số quốc gia trên thế giới
4
Bảng 1.2. Một số oxit nano tổng hợp bằng phương pháp kết tủa
19
Bảng 1.3. Một số oxit nano tổng hợp bằng phương pháp sol-gel
21
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit
49
hỗn hợp Fe2O3 – TiO2
Bảng 3.2. Dung lượng hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 –
50
TiO2
Bảng 3.3. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ As(V) theo mô hình Langmuir
51
và Freundlich của vật liệu nano oxit hỗn hợp Fe2O3 – TiO2
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(V) trên vật liệu
61
NdFeO3
Bảng 3.5. Dung lượng hấp phụ As(V) trên vật liệu NdFeO3
63
Bảng 3.6. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ As(V) theo mô hình Langmuir
64
và Freundlich của vật liệu hệ NdFeO3
Bảng 3.7. Bảng thành phần hóa học của vật liệu NdFeO3
66
Bảng 3.8. Một số tham số của phương trình động học bậc nhất biểu kiến
70
hấp phụ As(V) trên vật liệu NdFeO3
Bảng 3.9 . Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ As(V)
71
Bảng 3.10 . Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ As(V)
71
Bảng 3.11. Bảng kết quả các thông số nhiệt động học
72
Bảng 3.12. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(V) trên vật liệu
81
oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3
Bảng 3.13. Dung lượng hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 –
83
Mn2O3
Bảng 3.14. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ As(V) theo mô hình Langmuir
84
và Freundlich của vật liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3
Bảng 3.15. Ảnh hưởng của ion SO42- đến khả năng hấp phụ As(V)
86
Bảng 3.16. Ảnh hưởng của ion Cl- đến khả năng hấp phụ As(V)
86
Bảng 3.17. Ảnh hưởng của ion PO43- đến khả năng hấp phụ As(V)
87
Bảng 3.18. Ảnh hưởng của Fe(III) đến khả năng hấp phụ As(V)
87
Bảng 3.19. Ảnh hưởng của Mn(II) đến khả năng hấp phụ As(V)
88
Bảng 3.20. Kết quả xác định hàm lượng sắt, mangan trên chất mang.
89
Bảng 3.21. Dung lượng hấp phụ As(V) của vật liệu hệ Fe – Mn/chất mang
90
Bảng 3.22. Hiệu suất phủ và hàm lượng Fe, Mn trên nền chất mang
91
Bảng 3.23. Dung lượng hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe –
92
Mn/CTA
Bảng 3.24. Dung lượng hấp phụ của một số vật liệu
93
Bảng 3.25. Thời gian lưu của As trên cột chứa vật liệu nano oxit hỗn hợp
95
hệ Fe – Mn/CTA.
Bảng 3.26. Kết quả đánh giá hấp phụ động đối với As(V)
96
Bảng 3.27. Kết quả rửa thu hồi asen bằng dung dịch NaCl bão hòa
97
MỞ ĐẦU
Hiện nay, nhu cầu sử dụng nguồn nước sạch cho mục đích sinh hoạt của con
người ngày càng lớn. Đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch đang là vấn đề thách thức
đối với toàn thế giới. Thiếu nước sạch không chỉ là mối lo ngại của một quốc gia mà
còn là vấn đề toàn cầu. Vấn đề này không chỉ ở các nước Châu Phi, các vùng sa mạc
hóa, mà ngay cả các vùng có nguồn nước do các con sông chảy qua cũng thiếu nước
sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt của con người. Sự ô nhiễm nguồn nước mặt và
nước ngầm, do sự phát triển của công nghiệp phát ra các nguồn khí thải ô nhiễm,
nước thải, chất thải rắn nguy hại và các hoạt động khai thác khoáng sản của con
người gây ra. Sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm các kim loại nặng độc hại, đặc biệt là
asen ảnh hưởng xấu đến chất lượng cuộc sống của con người. Ở Việt Nam hiện nay,
nguồn cung cấp nước sinh hoạt chủ yếu là nước ngầm. Nguồn nước ngầm ở một số
tỉnh thành như: Hà Nam, Hưng Yên, Vĩnh Phúc Long An, An Giang, Hà Tĩnh…
thường chứa các kim loại nặng độc hại như sắt, mangan, asen. Con người sử dụng
nguồn nước bị ô nhiễm lâu ngày là một trong các nguyên nhân gây ra các bệnh hiểm
nghèo như: bệnh về da, mắt, các dịch bệnh lây qua nguồn nước và đặc biệt là asen
gây ra các bệnh ung thư xương, thận, gan…
Để loại bỏ các kim loại nặng độc hại ra khỏi nguồn nước, thường sử dụng các
phương pháp hóa học, hóa – hóa lý như: kết tủa, trao đổi ion, màng lọc, phương pháp
oxi hóa, hấp phụ… Hiện nay, phương pháp phổ biến được dùng để xử lý loại bỏ các
kim loại nặng ra khỏi nguồn nước là phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu hấp phụ,
đặc biệt là vật liệu nano. Phương pháp hấp phụ có sử dụng vật liệu nano cho hiệu quả
cao tại các vùng nông thôn có nguồn nước bị ô nhiễm, chưa có các nhà máy xử lý
nước tập trung, do thiết bị hấp phụ nhỏ gọn, dễ vận hành và đầu tư không lớn. Việc
nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nano oxit kim loại để hấp phụ asen được
nhiều nhà khoa học quan tâm do những đặc tính ưu việt của chúng.
Vật liệu oxit riêng rẽ sắt, oxit mangan, oxit titan và oxit đất hiếm đã được nghiên
cứu sử dụng để loại bỏ asen . Tuy nhiên, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu
nano oxit hỗn hợp hấp phụ asen, nhằm kết hợp được các đặc tính ưu việt của từng
1
đơn oxit cần được quan tâm. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp một số oxit hỗn
hợp chứa Fe (hệ Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd) kích thước nanomet ứng dụng để xử
lý Asen trong nước sinh hoạt” được thực hiện với các nội dung chính: Tổng hợp oxit
hỗn hợp hệ Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd có kích thước nanomet bằng phương pháp đốt
cháy gel polyvinyl ancol và nghiên cứu khả năng hấp phụ của chúng đối với asen
trong nước sinh hoạt.
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan tình hình ô nhiễm nước trên thế giới
1.1.1. Sự tồn tại của asen
Asen tồn tại ở các trạng thái oxi hóa -3, 0, +3 và +5. Trong môi trường nước,
asen tồn tại ở các dạng như axit asenơ (H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32-), axit asenic
(H3AsO4,
H2AsO4-,
HAsO42-),
asenic
(AsO33-),
asenat
(AsO43-),
axit
monomethyasonic [CH3AsO(OH)2], axit dimethyasinic [(CH3)2AsOOH] và khí asin
(AsH3)… Các dạng tồn tại của As(V) phụ thuộc vào pH của nguồn nước, trong môi
trường pH < 2 asen tồn tại ở dạng H3AsO4, ở môi trường 2 < pH < 6,9 asen tồn tại ở
dạng H2AsO4-, ở môi trường 6,9 < pH < 9,2 asen tồn tại ở dạng HAsO42- và khi pH >
9,2 asen tồn tại ở dạng AsO43-. Hợp chất H3AsO3 tồn tại chủ yếu trong môi trường oxi
hóa khử yếu. Asen và các hợp chất của asen là những chất cực độc, độc tính của asen
giảm dần theo thứ tự monomethyasonic [CH3AsO(OH)2] [As(III)] > As(III) > As(V)
> axit dimethyasinic [(CH3)2AsOOH] [As(V)] > [CH3AsO(OH)2] [As(V)] [1, 2].
Asen đi vào trong cơ thể con người do tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp sẽ tích lũy dần
trong cơ thể, khi đạt đến nồng độ nhất định sẽ gây ra một số bệnh hiểm nghèo như
ung thư da, ưng thư xương, gan, thận…
1.1.2. Tình hình ô nhiễm asen trên thế giới
Sự ô nhiễm asen trong nguồn nước đang là một trong những mối quan tâm hàng
đầu của một số quốc gia trên thế giới như Bangladet, Ấn độ, Trung Quốc, Thái Lan,
Campuchia, Mỹ, Việt Nam… Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) giới hạn cho phép
sự có mặt asen trong nước sinh hoạt là 0,01 mg/l. Nguồn nước ngầm có nồng độ asen
rất lớn từ 0,5 – 5000 µg/l được tìm thấy trên 70 quốc gia trên thế giới. Nồng độ asen
trong nước ngầm của các quốc gia trên thế giới được thể hiện ở Bảng 1.1.
3
Bảng 1.1. Nồng độ asen trong nước ngầm của một số nơi trên thế giới [3]
Nồng độ asen trong nước
TT
Địa điểm
1
Pampa, Cordoba (Achentina)
100 – 3810
2
Cordoba (Achentina)
> 100
3
Băngladet
< 10 – > 1000
4
Carcuta (Ấn Độ)
< 50 – 23.080
5
Phía Tây Bengal (Ấn Độ)
3 – 3700
6
Chile
470 – 770
7
Fukuoka (Nhật Bản)
0,001 – 0,293
8
Hà Nội (Việt Nam)
1 – 3050
9
Hungary
1 – 174
10
Khu tự trị Nội Mông (Trung Quốc)
1 – 2400
11
Sơn Tây (Trung Quốc)
0,03 – 1,41
12
Tân Cương (Trung Quốc)
0,005 – 850
13
Laguna (Mexico)
8 – 624
14
Khu vực sông Mêkông (Campuchia)
1 – 1340
15
Nakhon Si Thammarat (Thái Lan)
1,25 – 5114
16
Ropibol (Thái Lan)
1 – 5000
17
Nepal
8 – 2660
18
Peru
500
10
Rumani
1 - 176
20
Phía Tây Nam (Phần Lan)
17 - 980
21
Phía Tây (Mỹ)
1 – 48.000
(µg/l)
Trên Bảng 1.1 nhận thấy có rất nhiều quốc gia có nguồn nước bị nhiễm asen, với
một số lượng lớn người dân đang tiếp xúc với nguồn nước bị nhiễm asen có nồng độ
lớn hơn 50 µg/l, đặc biệt là người dân ở các nước đang phát triển ở châu Á trong đó
4
có Việt Nam. Quá trình tiếp xúc và sử dụng nguồn nước nhiễm asen đang đe dọa tính
mạng của hàng triệu người dân của nước ở khu vực Đông Nam Á. Do vậy, cần phải
có giải pháp xử lý loại bỏ asen ra khỏi nguồn nước sinh hoạt, nhằm nâng cao chất
lượng cuộc sống của người dân..
1.1.3. Tình hình ô nhiễm asen trong nguồn nước ngầm tại Việt Nam
Việt Nam là quốc gia có nguồn nước mặt và nước ngầm phong phú về trữ lượng
và chất lượng. Tuy nhiên, tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa khá nhanh, sự tăng dân
số đã và đang gây ô nhiễm môi trường nước. Sự ô nhiễm môi trường nước đang ngày
càng lớn bởi các chất thải vô cơ và hữu cơ do các nhà máy thải ra và chất thải sinh
hoạt của con người. Trong số các chất ô nhiễm vô cơ, các kim loại nặng là các chất
gây ảnh hưởng lớn đến đời sống và sức khỏe của con người, đặc biệt là sự có mặt của
asen trong nước. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, các tỉnh đồng bằng
Bắc Bộ như Hà Nội, Bắc Ninh, Nam Định, Ninh Bình, Hà Nam, Vĩnh Phúc, Hưng
Yên đều có nguồn nước bị ô nhiễm asen vượt mức cho phép đối với nước sử dụng
cho mục đích sinh hoạt (giới hạn cho phép < 0,01 mg/l theo QCVN 01/2009/BYT [4].
Các tỉnh thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long như An Giang, Cần Thơ, Sóc
Trăng, Bến Tre, Vĩnh Long, Tiền Giang có nơi có nồng độ asen > 0,05 mg/l [5]. Các
tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh cũng có nhiều nơi bị nhiễm asen, nồng độ asen có
nơi đạt 0,5 mg/l. Hiện nay, các vùng đô thị có nhà máy xử lý nước sạch tập trung, còn
lại các vùng nông thôn chưa có điều kiện để xây dựng các nhà máy xử lý nước tập
trung. Hệ thống xử lý nước chủ yếu là do tự chế tạo, sử dụng cát lọc loại bỏ sắt, chưa
xử lý asen. Một số vùng còn sử dụng nguồn nước cấp phục vụ mục đích sinh hoạt là
nước mặt của các con sông chảy qua. Nguồn nước này không ổn định, chứa nhiều tạp
chất, có thể chứa các chất bảo vệ thực vật do hoạt động sản xuất nông nghiệp gây ra.
Một số vùng sử dụng nguồn nước mưa cho mục định sinh hoạt, nguồn nước này phụ
thuộc nhiều vào thời tiết, chất lượng nước không được đảm bảo, do sự ô nhiễm không
khí ngày càng tăng. Do vậy, hàng ngày có hàng triệu người dân đang tiếp xúc, sử
dụng các nguồn nước ô nhiễm phục vụ cho mục đích sinh hoạt. Đây là thực trạng
đáng báo động, cần có biện pháp xử lý để loại bỏ asen khỏi nguồn nước sinh hoạt.
5
1.2. Các phương pháp loại bỏ asen ra khỏi nguồn nước
Có nhiều phương pháp để loại bỏ asen trong môi trường nước. Phương pháp áp
dụng phải kết hợp được tính khả thi, hiệu quả và dễ dàng sử dụng. Trong tự nhiên
asen tồn tại ở 2 dạng là asenat và asenit. Asenit tồn tại ở pH trung tính [6, 7], do vậy
asenit cần được oxi hóa thành asenat hấp phụ tốt trên các vật liệu hấp phụ để hiệu
suất loại bỏ asen cao hơn. Công nghệ loại bỏ asen đạt chất lượng nước mong muốn
cần có thiết bị đơn giản, chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng thấp, an toàn và được
người dân chấp nhận.
Các phương pháp phổ biến loại bỏ asen là phương pháp keo tụ kết hợp với lọc
loại bỏ asen, phương pháp oxi hóa kết tủa, phương pháp màng, phương pháp trao đổi
ion, phương pháp hấp phụ bề mặt [8, 9]. Ngoài những phương pháp sử dụng rộng rãi
trên còn có phương pháp sinh học [10]. Sau đây giới thiệu một phương pháp loại bỏ
asen trên.
1.2.1. Phương pháp keo tụ
Phương pháp keo tụ là phương pháp loại bỏ asen bằng cách sử dụng các muối
keo tụ với asen, sau đó sa lắng và cuối cùng là quá trình lọc làm sạch nước. Keo tụ là
quá trình các hạt keo lấy các tạp chất ra khỏi nguồn nước [11]. Quá trình đồng kết tủa
với asen bằng cách tạo phức với các muối nhôm (sắt) clorit (hydroxit) hoặc với nưới
vôi. Hydroxit sắt vô định hình và hydroxit nhôm là sản phẩm kết tủa từ các muối
nhôm (sắt) clorit hoặc các muối nhôm (sắt) sunfat. Trong khi các hydroxit Ca(OH)2
hoặc Mg(OH)2 được hình thành từ nước vôi trong quá trình xử lý. Sự hình thành các
sản phẩm không tan tạo điều kiện cho quá trình loại bỏ asen từ môi trường nước bằng
cách sa lắng và lọc [12, 13].
Ưu điểm của phương pháp:
- Thao tác vận hành, bảo trì dễ dàng, đơn giản;
- Hóa chất sử dụng dễ kiếm và không độc hại;
- Không sử dụng điện trong quá trình xử lý;
- Phương pháp xử lý đã tồn tại ở nhiều nơi trên thế giới.
6
- Xem thêm -