Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ngập lũ huyện nho quan, ninh bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI HÀ THỊ PHÚ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC, CẤP NƯỚC SINH HOẠT CHO VÙNG NGẬP LŨ HUYỆN NHO QUAN, NINH BÌNH CHUYÊN NGÀNH: CẤP THOÁT NƯỚC MÃ SỐ: 60.58.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ XUÂN QUANG Hà Nội - 2014 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt khóa học này tôi đã nhận được sự động viên giúp đỡ tận tình của gia đình, các thầy cô, các cơ quan, đồng nghiệp và bạn bè. Qua luận văn này, trước tiên cho tôi gửi lời cảm ơn TS. Lê Xuân Quang người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và cung cấp những tài liệu, thông tin cần thiết để tác giả hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo và cán bộ khoa Kỹ thuật tài nguyên nước - Trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ, động viên tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập. Tôi xin trân trọng cảm ơn các cơ quan, đơn vị đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá trình điều tra thu thập tài liệu cho luận văn này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè - những người luôn ở bên động viên tôi trong học tập và trong cuộc sống. Trân trọng cảm ơn! Hà nội, ngày 22 tháng 5 năm 2014 Tác giả luận văn Hà Thị Phú BẢN CAM KẾT Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ngập lũ huyện Nho Quan, Ninh Bình” Tôi xin cam đoan đề tài luận văn được làm dựa trên các số liệu, tư liệu được thu thập từ nguồn thực tế, được công bố trên báo cáo của các cơ quan nhà nước … Những kết quả nghiên cứu, thí nghiệm không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà trường. Hà nội, ngày 22 tháng 5 năm 2014 Tác giả luận văn Hà Thị Phú MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... 1 BẢN CAM KẾT ...................................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................. 8 MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1 I. Tính cấp thiết của Đề tài .................................................................................................... 1 II. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................................... 3 III. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................................... 3 IV. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu................................................................. 3 V. Những kết quả đạt được ................................................................................................... 4 VI. Cấu trúc của luận văn...................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................................. 6 1.1 Tổng quan về lý thuyết công nghệ Nano ..........................................................6 1.1.1 Khái niệm ................................................................................................6 1.1.2 Phân loại vật liệu Nano ...........................................................................6 1.1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ Nano ......................................................7 1.1.4 Hướng ứng dụng chung ...........................................................................8 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước trên thế giới .............................................................................................................9 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước ở Việt Nam ...............................................................................................................11 1.4 Tổng quan về nhu cầu nước sinh hoạt cho vùng thường xuyên ngập lũ ........13 1.5 Nhận xét, đánh giá...........................................................................................15 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC, CẤP NƯỚC SINH HOẠT CHO VÙNG LŨ ................................................... 16 2.1 Đánh giá nguồn nước sinh hoạt và các phương pháp xử lý nước sinh hoạt truyền thống ..........................................................................................................16 2.1.1 Các giải pháp xử lý nước trong vùng lũ ................................................16 2.1.2 Công nghệ cấp nước nhỏ lẻ quy mô hộ gia đình ...................................17 2.1.3 Công nghệ cấp nước tập trung quy mô nhỏ ..........................................26 2.1.4 Công nghệ cấp nước tập trung quy mô lớn ...........................................28 2.1.5 Công nghệ cấp nước nổi ........................................................................29 2.2 Cơ sở khoa học trong việc ứng dụng công nghệ Nano trong cấp nước sinh hoạt .....................................................................................................................30 2.3 Giới thiệu công nghệ Nano trong lọc nước cấp nước sinh hoạt......................31 2.3.1 Giới thiệu vật liệu Nano ........................................................................31 2.3.2 Tính chất chung .....................................................................................31 2.3.1 Đặc điểm của vật liệu lọc Nano ............................................................31 2.4 Nghiên cứu lựa chọn dây chuyền công nghệ và khả năng xử lý.....................37 2.5 Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước cho vùng lũ ...41 2.6 Nhận xét, đánh giá...........................................................................................42 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC, CẤP NƯỚC SINH HOẠT VÙNG NGẬP LŨ HUYỆN NHO QUAN, NINH BÌNH....... 44 3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, hiện trạng sử dụng nước sạch, vệ sinh môi trường vùng nghiên cứu ........................................................................................44 3.1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội .........................................................44 3.1.2 Hiện trạng sử dụng nước sạch, vệ sinh môi trường vùng nghiên cứu ..48 3.2 Xác định nhu cầu cấp nước vùng nghiên cứu .................................................54 3.3 Phương pháp và giải pháp công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt vùng nghiên cứu .....................................................................................................................56 3.3.1 Các căn cứ lựa chọn ..............................................................................56 3.3.2 Thử nghiệm đối chứng giải pháp công nghệ .........................................56 3.3.3 Phương án và giải pháp công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt vùng nghiên cứu ......................................................................................................60 3.4 Giải pháp thiết kế các hạng mục công trình hệ thống cấp nước sinh hoạt vùng ngập lũ huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình ............................................................62 3.4.1 Căn cứ thiết kế.......................................................................................62 3.4.2 Những yêu cầu thiết kế..........................................................................63 3.4.3 Quy mô, công suất và cấp công trình ....................................................64 3.4.4 Giải pháp thiết kế và kết cấu công trình ................................................65 3.5 Quản lý vận hành hệ thống cấp nước sinh hoạt ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước vùng ngập lũ huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình ...........................68 3.6 Nhận xét, đánh giá...........................................................................................70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................... 71 PHỤ LỤC................................................................................................................................ 74 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1: Lu chứa nước mưa .............................................................................................. 18 Hình 2.2: Bể chứa nước mưa............................................................................................... 19 Hình 2.3: Hình ảnh một số loại thiết bị chứa nước trên thị trường hiện nay .............. 20 Hình 2.4: Mô hình thí điểm áp dụng Công nghệ trữ nước sinh hoạt bằng bồn chứa nhựa dẻo tại Phố Ngọc, xã Trung Minh, TP Hòa Bình, tỉnh Hòa Bình ....................... 21 Hình 2.5: Giếng đào hộ gia đình ......................................................................................... 22 Hình 2.6: Kết cấu giếng đào ................................................................................................. 23 Hình 2.7: Giếng khoan .......................................................................................................... 24 Hình 2.8: Thiết bị xử lý nước mặt bằng xô chậu .............................................................. 25 Hình 2.10: Cách bố trí các lớp vật liệu trong lu lọc .......................................................... 26 Hình 2.11: Chuyển giao công nghệ chế tạo lõi lọc bằng vật liệu Nano dạng màng (Cộng hòa Liên bang Nga) cho Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường - Tháng 3 năm 2008 .......................................................................................................................................... 30 Hình 2.12: Nghiên cứu chế tạo thiết bị lọc bằng vật liệu Nano ...................................... 30 Hình 2.13: Các module thiết bị xử lý nước lưu động công suất lớn .............................. 39 Hình 3.1: Vị trí huyện Nho Quan trên bản đồ tỉnh Ninh Bình....................................... 45 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Ứng dụng vật liệu Nano trong khoa học kỹ thuật và đời sống ....................... 9 Bảng 1.2: Các bệnh, nhóm bệnh liên quan tới dùng nước không hợp vệ sinh ............ 14 Bảng 3.1: Bảng kết quả phân tích chất lượng nước giếng đào dùng cho sinh hoạt xã Lạc Vân .................................................................................................................................... 48 Bảng 3.2: Bảng kết quả phân tích chất lượng nước mặt tại vùng nghiên cứu xã Lạc Vân............................................................................................................................................ 50 Bảng 3.3: Bảng kết quả phân tích chất lượng nước ngầm tại khu vực nghiên cứu xã Lạc Vân .................................................................................................................................... 51 Bảng 3.4: Bảng kết quả phân tích chất lượng nước ngầm tại khu vực nghiên cứu xã Lạc Vân .................................................................................................................................... 53 Bảng 3.5: Tính toán nhu cầu cấp nước vùng nghiên cứu............................................... 55 Bảng 3.6: Bảng kết quả phân tích chất lượng xác định hiệu quả thiết bị xử lý nước mặt ............................................................................................................................................ 57 Bảng 3.7: Bảng kết quả phân tích chất lượng xác định hiệu quả thiết bị đợt 2 ........... 58 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BĐKH : Biến đổi khí hậu MT : Môi trường VSMTNT : Vệ sinh môi trường nông thôn TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN : Quy chuẩn Việt Nam TCCP : Tiêu chuẩn cho phép WHO : Tổ chức Y tế thế giới (World Health Organization) Formatted: Font: Times New Roma 13 pt, Not Highlight 1 MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của Đề tài Nước là một nguồn tài nguyên quý của mỗi Quốc gia, nước không thể thiếu được trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày cũng như trong quá trình sản xuất công nghiệp, nông nghiệp. Tổng thư ký Liên hợp quốc, ông Ban Ki-Moon đã phát biểu nhân dịp Ngày nước thế giới 2013 và Năm quốc tế hợp tác vì nước: “Nước là cốt lõi hạnh phúc của nhân loại và hành tinh. Chúng ta cần nước cho sức khỏe, cho an ninh lương thực và cho phát triển kinh tế. Nước nắm giữ chìa khóa phát triển bền vững. Chúng ta phải cùng nhau hành động để bảo vệ và quản lý thật công phu nguồn tài nguyên kém bền vững và hữu hạn này. Mỗi năm lại có thêm nhiều áp lực mới lên tài nguyên nước. Một phần ba dân số của thế giới đang sinh sống tại các nước mà hiện nay đã ở vào tình trạng căng thẳng về nước từ mức trung bình đến mức cao”. Vì vậy, bảo vệ và cải thiện nguồn nước là nhiệm vụ cấp thiết được đặt ra. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu diễn ra ngày càng nhanh hơn, cùng với sự phát triển kinh tế quá nóng dẫn đến những nguy cơ về ô nhiễm, cạn kiệt nguồn nước, vấn đề bảo vệ tài nguyên nước, khai thác hợp lý, tiết kiệm tài nguyên nước càng trở nên có ý nghĩa quan trọng. Trước sức ép ngày càng lớn về nguồn nước, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang hoạch định các thể chế quản lý để đảm bảo việc kiểm soát tốt hơn nguồn tài nguyên vô giá này và làm cho nguồn nước ngày càng sạch hơn. Các giải pháp nghiên cứu ứng dụng khoa học công nghệ nhằm khai thác, sử dụng nước tiết kiệm, cải thiện chất lượng nguồn nước cũng đang được chú trọng. Theo báo cáo kết quả thực hiện chương trình mục tiêu quốc gia nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn giai đoạn 2006-2010, tính đến cuối năm 2010, cả nước có 52,1 triệu người dân nông thôn được sử dụng nước hợp vệ sinh, tăng 13,3 triệu người so với cuối năm 2005, tỷ lệ tương ứng tăng từ 62% lên 83%; trung bình tăng 4,2%/năm (tương đương với tốc độ tăng của giai đoạn 1999-2005). Trong đó, tỷ lệ số dân nông thôn được sử dụng nước sinh hoạt đạt QCVN 02/BYT trở lên là 2 42%. Để từng bước hiện thực hóa Chiến lược Quốc gia về cấp nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn đến năm 2020, tiếp theo các kết quả đạt được từ chương trình mục tiêu quốc gia nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn giai đoạn 2006-2010, chương trình mục tiêu quốc gia nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn giai đoạn 2012-2015 đã được chính phủ phê duyệt tại quyết định số 366/QĐ-TTg ngày 31/3/2012, chương trình đề ra mục tiêu cụ thể đến cuối năm 2015, có 85% dân số nông thôn được sử dụng nước sinh hoạt hợp vệ sinh, trong đó 45% sử dụng nước đạt quy chuẩn QCVN 02-BYT với số lượng ít nhất là 60 lít/người/ngày; 100% các trường học mầm non và phổ thông, trạm y tế xã ở nông thôn đủ nước sạch. Để đạt được mục tiêu trên, nhiều giải pháp, công nghệ trong cấp nước và vệ sinh môi trường được chú trọng nghiên cứu, ứng dụng. Một trong các giải pháp, công nghệ được quan tâm gần đây là ứng dụng vật liệu Nano trong lọc nước cấp nước sinh hoạt nông thôn cho các vùng ngập lũ, vùng nước ô nhiễm asen. Đây là công nghệ mới và hiện đại nhất hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới. Đối thoại toàn cầu về “Công nghệ Nano và người nghèo: Cơ hội và rủi ro” tổ chức tại Chennai Ấn Độ ngày 10-12/11/2006 đã vẽ lên một bức tranh tổng thể về hiện trạng và các thành tựu ứng dụng công nghệ Nano trong xử lý nước tại các quốc gia trên thế giới. Thông điệp tại đối thoại là: “Công nghệ Nano đang trở thành một lĩnh vực khoa học công nghệ đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết một số bất cập của các thiết bị xử lý nước truyền thống...”, các nhà khoa học đã khuyến nghị rằng “Vật liệu Nano có thể làm cho các công nghệ này rẻ hơn, bền hơn và xử lý nước hiệu quả hơn phù hợp với điều kiện các nước đang phát triển”. Ở Việt Nam, lũ lụt gây thiệt hại ngày càng tăng, mưa lũ còn gây ô nhiễm môi trường, nhất là môi trường nước. Tỉnh Ninh Bình có 2 huyện thuộc vùng phân lũ nặng nhất là Nho Quan và Gia Viễn. Trong 50 năm qua, kể từ khi hệ thống sông Hoàng Long được hình thành, những người dân sống ở vùng phân lũ thuộc hai huyện Nho Quan và Gia Viễn (Ninh Bình) đã trải qua 20 lần bị xả lũ. Trong đó Nho Quan là huyện thường xuyên chịu ảnh hưởng nặng nề của phân lũ sông Hoàng Long. Theo thống kê, cứ mỗi lần phân lũ, toàn huyện có 17 xã ngập, trong đó có 7 3 xã ngập toàn diện có độ sâu từ 2,5÷3m so với nền nhà; có 20.331 hộ và 89.300 người chịu ảnh hưởng do ngập lũ. Ðối với người dân vùng lũ lụt, sau nước rút, môi trường sống, nhất là nguồn nước bị ô nhiễm nặng. Do đó việc nghiên cứu ứng dụng các công nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng thường xuyên ngập lũ huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình là rất cần thiết và cấp bách. II. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt vùng ngập lũ huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình. III. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Vùng thường xuyên ngập lũ huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình. IV. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận - Tiếp cận thực tế: Đi khảo sát, nghiên cứu, thu thập các số liệu về những vùng thường xuyên ngập lũ,… - Tiếp cận hệ thống: Tiếp cận, tìm hiểu, phân tích hệ thống từ tổng thể đến chi tiết, đầy đủ và hệ thống. - Tiếp cận các phương pháp nghiên cứu mới, các công nghệ Nano trong lọc nước của các nước trên thế giới và trong nước. - Tiếp cận có sự tham gia của những người hưởng lợi trong các dự án cấp nước sinh hoạt. - Tiếp cận đáp ứng nhu cầu: tính toán, đánh giá nhu cầu nước sinh hoạt. 4.2 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp điều tra, thu thập các số liệu, tài liệu có liên quan - Phương pháp phân tích, xử lý, đánh giá số liệu 4 - Phương pháp thống kê và phân tích hệ thống - Phương pháp kế thừa: kế thừaKế thừa các kết quả nghiên cứu trước đó về cấp nước sinh hoạt cho vùng lũ, các công nghệ lọc nước Nano - Phương pháp chuyên gia: tham khảo các chuyên gia . V. Những kết quả đạt được Ứng dụng được công nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ngập lũ huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình. VI. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm 84 trang, 9 bảng biểu, 12 hình ảnh, được viết trong 3 chương ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị. Cấu trúc chi tiết của luận văn như sau: Mở đầu Chương 1. Tổng quan 1.1. Tổng quan về lý thuyết công nghệ Nano 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước trên thế giới. 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano cấp nước sinh hoạt trong nước. 1.4. Nhu cầu nước cho sinh hoạt vùng thường xuyên ngập lũ. 1.5. Nhận xét, đánh giá Chương 2. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng lũ 2.1. Đánh giá nguồn nước sinh hoạt và các phương pháp xử lý nước sinh hoạt truyền thống. 2.2 Cơ sở khoa học trong việc ứng dụng công nghệ Nano trong cấp nước sinh hoạt. 2.3. Giới thiệu công nghệ Nano trong lọc nước cấp nước sinh hoạt. 5 2.4. Nghiên cứu lựa chọn dây chuyền công nghệ và khả năng xử lý. 2.5 Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước cho vùng lũ. 2.6 Nhận xét, đánh giá Chương 3. Ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt vùng ngập lũ huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình 3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, hiện trạng sử dụng nước sạch, vệ sinh môi trường vùng nghiên cứu. 3.2 Xác định nhu cầu cấp nước vùng nghiên cứu 3.3 Phương pháp và giải pháp công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt vùng nghiên cứu. 3.4 Giải pháp thiết kế các hạng mục công trình hệ thống cấp nước sinh hoạt cho vùng ngập lũ Nho Quan, Ninh Bình. 3.5 Quản lý vận hành hệ thống cấp nước sinh hoạt ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước, vùng ngập lũ Nho Quan, tỉnh Ninh Bình. 3.6 Nhận xét, đánh giá KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lý thuyết công nghệ Nano 1.1.1 Khái niệm Công nghệ Nano (tiếng Anh: Nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô Nanomet (nm, 1 nm = 10-9m). Ranh giới giữa công nghệ Nano và khoa học Nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu Nano. Công nghệ Nano bao gồm các vấn đề chính sau đây: - Cơ sở khoa học Nano - Phương pháp quan sát và can thiệp - Chế tạo vật liệu Nano - Ứng dụng vật liệu Nano. 1.1.2 Phân loại vật liệu Nano Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: Rắn, lỏng, khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân chia thành các loại sau: - Vật liệu Nano không chiều - Vật liệu Nano một chiều - Vật liệu Nano hai chiều Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc Nano hay Nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có Nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. 7 1.1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ Nano Tính chất chung: Vật liệu Nano có 3 tích chất như sau: Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc Nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước Nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Kích thước tới hạn Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu Nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước Nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước Nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu. Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học Nano và công nghệ Nano. 8 Có 3 cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ Nano: - Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử - Hiệu ứng bề mặt - Kích thước tới hạn 1.1.4 Hướng ứng dụng chung Các cấu trúc Nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà trước kia chưa có. Chúng có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang. Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng. Nhờ vào kích thước nhỏ, những cấu trúc Nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm tăng tỷ trọng gói. Tỷ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỷ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau. Đối với vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng lượng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó. Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vật liệu với tỷ trọng cao và tỷ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ. Những phức tạp này hoàn toàn chưa được khám phá và việc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sau sắc khoa học căn bản tìm ẩn trong chúng. Những phức tạp này cũng mở đường cho sự tiếp cận với những hệ thống không tuyến tính phức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện trên căn bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô micromet. Khoa học Nano là một trong những biên giới của khoa học chưa được thám hiểm tường tận. Nó hứa hẹn nhiều phát minh kỹ thuật lý thú nhất. 9 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước trên thế giới Theo đánh giá tổng hợp của các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu về vật liệu Nano, có 10 ứng dụng hàng đầu của vật liệu Nano trong khoa học kỹ thuật và đời sống, được thống kê ở Bảng 1.1 Bảng 1.1: Ứng dụng vật liệu Nano trong khoa học kỹ thuật và đời sống Ứng dụng STT 1 Dự trữ, sản xuất và chuyển biến năng lượng 2 Tăng sản lượng nông nghiệp 3 Xử lý nước 4 Chẩn đoán bệnh và chiếu chụp 5 Hệ thống cung cấp thuốc 6 Chế biến và dự trữ thực phẩm 7 Kiểm soát ô nhiễm 8 Xây dựng 9 Giám sát sức khỏe 10 Phát hiện và kiểm soát sâu bệnh Ứng dụng vật liệu Nano trong xử lý nước có vai trò quan trọng và mở ra nhiều cơ hội được sử dụng nước sạch cho người dân các nước đang phát triển. Hiện nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu, phát triển công nghệ xử lý nước bằng vật liệu Nano và đã có một số sản phẩm điển hình ra đời và được ứng dụng khá rộng rãi: 1. Xốp Nano giữ nước mưa do Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) sản xuất: Hợp chất polymer và các hạt Nano thủy tinh được phủ trên bề mặt như vải để hút nước. Xốp Nano hoạt động hiệu quả hơn so với vật liệu truyền thống. Xốp Nano dùng để giữ nước mưa ở các nước: Trung Quốc, Neepal và Thái Lan. 10 2. Hạt Nano từ tính xử lý asen do Đại học Rice (Hoa Kỳ) sản xuất: Các hạt Nano từ tính gồm các ion oxit lơ lửng trong nước liên kết với asen, sau đó loại bỏ bằng một nam châm. Ấn Độ, Bangladesh và các nước đang phát triển khác có hàng nghìn trường hợp nhiễm độc asen mỗi năm là do các giếng nước bị ô nhiễm asen. 3. Màng khử mặn do Đại học California, Los Angeles và NanoH2O sản xuất: Hợp chất polyme và hạt Nano hút các ion nước và đẩy muối hòa tan. Màng khử mặn đã có mặt trên thị trường, cho phép khử mặn với chi phí năng lượng thấp hơn so với phương pháp thẩm thấu. 4. Màng lọc Nano do Công ty Saehan (Hàn Quốc) sản xuất: Màng lọc Nano được sản xuất từ polyme có kích thước lỗ từ 0,1÷10 Nano mét. Màng lọc Nano được thử nghiệm xử lý nước uống ở Trung Quốc và khử mặn nước ở Iran đòi hỏi ít năng lượng hơn phương pháp thẩm thấu ngược. 5. Que nước trong lưới Nano do Phòng thí nghiệm Seldon (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết bị lọc có hình dạng như cọng rơm sử dụng các ống Nano cácbon đặt lên trên vật liệu dẻo có lỗ. Que nước làm sạch nước uống. 6. Thiết bị lọc thông dụng do Công ty KX (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết bị lọc sử dụng lớp sợi Nano được chế tạo từ các polyme, nhựa thông, gốm và các vật liệu khác để xử lý các chất ô nhiễm. Thiết bị được chế tạo dành riêng cho hộ gia đình trong cộng đồng ở các nước đang phát triển sử dụng. Các thiết bị lọc hiệu quả, dễ sử dụng và không cần phải bảo dưỡng. 7. Thiết bị lọc thuốc bảo vệ thực vật do Viện Công nghệ Ấn Độ ở Chennai và Công ty TNHH Eureka Forbes (Ấn Độ) sản xuất: Thiết bị này sử dụng bạc Nano để hút và sau đó phân hủy 3 loại thuốc bảo vệ thực vật thường thấy trong các nguồn cung cấp nước ở Ấn Độ. Thuốc bảo vệ thực vật thường tồn tại trong các nguồn cung cấp nước của các nước đang phát triển. Thiết bị lọc thuốc bảo vệ thực vật có thể cung cấp cho mỗi hộ gia đình ở Ấn Độ 6000 lít nước sạch mỗi năm. 11 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước ở Việt Nam Hiện nay, trong nước sử dụng rất nhiều công nghệ để xử lý nước phục vụ sinh hoạt như: - Xử lý nước bằng các công nghệ truyền thống. - Xử lý nước bằng công nghệ màng (lọc màng RO - thẩm thấu ngược) - Xử lý nước bằng các công nghệ lọc: Dùng than hoạt tính, hạt vật liệu lọc, vật liệu lọc Nano ... Công nghệ lọc bằng vật liệu Nano còn khá mới mẻ, một công nghệ hiện đại cho hiệu quả xử lý cao, giá thành phù hợp. Ở Việt Nam công nghệ Nano cũng đã thu hút được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu, trong đó có nghiên cứu chế tạo ống Nano cacbon. Cơ sở đầu tiên chế tạo thành công ống Nano cacbon ở Việt Nam là viện Khoa học vật liệu (IMS) thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST). Trung tâm ITIMS (thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội) là cơ sở thứ hai chế tạo thành công Carbon Nanotubes (CNTs) vào năm 2003, tiếp theo đó là Viện Vật lý Kỹ thuật (trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) vào khoảng đầu năm 2005. Năm 2007 Tiến sỹ Nguyễn Hoài Châu và tập thể các nhà khoa học Viện Công nghệ môi trường (Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài "Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu lọc Nano từ axetat xenlulo và ứng dụng lọc Nano trong quy trình xử lý nước sinh hoạt bị ô nhiễm". Đề tài thiết kế chế tạo một thiết bị lọc Nano công suất 100 lít nước/h, có khả năng xử lý các nguồn nước sinh hoạt, nước thải bị ô nhiễm asen có độ cứng cao hơn mức cho phép 4 ÷ 5 lần và xử lý nước thải có COD lớn hơn 5000 mg/l. Kết quả nghiên cứu cho thấy, màng lọc Nano có khả năng tách Albumin và khả năng bắt giữ chọn lọc đối với các chất điện ly có hóa trị khác nhau như NaCl, Na 2 SO 4 và MgCl 2 ...tương đương với màng Osmonics của Mỹ. Vật liệu màng được chọn sử dụng ở đây là Axentat xenlulo, một sản phẩm có thể dễ dàng đặt mua trong nước. Ưu điểm lớn nhất của lọc Nano là, với công nghệ này người ta không phải đưa thêm một loại hóa chất hay vi sinh nào vào nước mà vẫn