Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu tổng hợp một số oxit hỗn hợp chứa fe (fe – mn, fe – ti, fe – nd) kích...

Tài liệu 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

.PDF
115
670
91

Mô tả:

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 -

Tài liệu liên quan