Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã cao dương, huyện thanh oai, thành phố hà nội

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 Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường 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 01 tháng 12 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Trung Hiếu BẢN CAM KẾT Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội” 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 như Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường,… 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 01 tháng 12 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Trung Hiếu CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BĐKH : Biến đổi khí hậu MT : Môi trường NSVSMTNT : Nước sạch 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) IMS : Viện Khoa học vật liệu VAST : Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam FDA : Cơ quan an toàn thực phẩm Hoa Kỳ MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN BẢN CAM KẾT CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................................. 5 1.1 Tổng quan về lý thuyết công nghệ Nano ..............................................................5 1.1.1 Khái niệm ...........................................................................................................5 1.1.2 Phân loại vật liệu Nano ......................................................................................5 1.1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ Nano .................................................................5 1.1.4 Hướng ứng dụng chung....................................................................................6 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước trên thế giới .........................................................................................................................7 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước ở Việt Nam .....................................................................................................................9 1.4 Tổng quan về nhu cầu nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm Asen .........................11 1.5 Giải pháp xử lý nước trong vùng ô nhiễm Asen hiện nay ..................................13 1.6 Kết luận chương 1 ...............................................................................................14 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC, CẤP NƯỚC SINH HOẠT CHO VÙNG Ô NHIỄM ASEN .......................... 15 2.1 Đánh giá nguồn nước sinh hoạt và các phương pháp xử lý nước sinh hoạt truyền thống ..........................................................................................................................15 2.2 Cơ sở khoa học trong việc ứng dụng công nghệ Nano trong cấp nước sinh hoạt .. ...........................................................................................................................19 2.3 Giới thiệu công nghệ Nano trong lọc nước cấp nước sinh hoạt..........................20 2.3.1 Giới thiệu vật liệu Nano: ................................................................................20 2.3.2 Quy trình công nghệ:......................................................................................23 2.3.3 Quản lý vận hành ................................................................................................................................... 34 2.4 Nghiên cứu lựa chọn dây chuyền công nghệ và khả năng xử lý ......................30 2.5 Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước cho vùng ô nhiễm Asen................................................................................................................30 2.6 Kết luận chương 2 .............................................................................................31 CHƯƠNG 3.ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC, CẤP NƯỚC SINH HOẠT VÙNG Ô NHIỄM ASEN, XÃ CAO DƯƠNG, HUYỆN THANH OAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI ............................................................................. 33 3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, hiện trạng sử dụng nước sạch, vệ sinh môi trường vùng nghiên cứu ............................................................................................33 3.2 Đánh giá hiện trạng và khả năng khai thác nguồn nước vùng nghiên cứ ...........39 3.3 Xác định nhu cầu cấp nước vùng nghiên cứu .....................................................44 3.4 Đề xuất phương án cấp nước .............................................................................45 3.4.1 Căn cứ lựa chọn................................................................................................45 3.4.2 Phương án cấp nước ........................................................................................46 3.5 Phương pháp và giải pháp công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt vùng nghiên cứu . ...........................................................................................................................46 3.5.1 Các căn cứ lựa chọn .......................................................................................46 3.5.2 Thử nghiệm đối chứng giải pháp công nghệ..................................................46 3.6 Giải pháp thiết kế các hạng mục công trình hệ thống cấp nước sinh hoạt vùng ô nhiễm Asen xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội ........................51 3.6.1 Căn cứ thiết kế ...............................................................................................51 3.6.2 Những yêu cầu thiết kế ..................................................................................52 3.6.3 Quy mô, công suất và cấp công trình .............................................................52 3.6.4 Giải pháp thiết kế và kết cấu công trình ........................................................53 3.7 Quản lý vận hành hệ thống cấp nước sinh hoạt ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước vùng ô nhiễm Asen xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội ...........................................................................................................................63 3.8 Nhận xét đánh giá................................................................................................65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 66 Kết luận .....................................................................................................................66 Kiến nghị ...................................................................................................................67 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 69 PHỤ LỤC................................................................................................................................. 70 DANH MỤC BẢNG BIẾU Bảng 1.1: Ứng dụng vật liệu Nano trong khoa học kỹ thuật và đời sống ......................... 7 Bảng 1.2: Hiện trạng ô nhiễm Asen tại Hà Tây cũ (năm 2008) .....................................11 Bảng 3.1. Kết quả quan trắc nước mặt ..............................................................................40 Bảng 3.2. Kết quả quan trắc nước ngầm ...........................................................................41 Bảng 3.3 Chất lượng nước sinh hoạt tại các hộ gia đình tại Cao Dương – Thanh Oai..43 Bảng 3.4 : Tính toán nhu cầu cấp nước vùng nghiên cứu ..............................................45 Bảng 3.5: Kết quả phân tích và hiệu quả xử lý Asen đợt 1 .............................................47 Bảng 3.6: Kết quả phân tích và hiệu quả xử lý Asen đợt 2 .............................................48 Bảng 3.7: Kết quả phân tích và hiệu quả xử lý Asen đợt 3 .............................................49 Bảng 3.8: Kết quả phân tích và hiệu quả xử lý Asen đợt 4 .............................................50 Bảng 3.9: Các thông số kỹ thuật của thiết bị công suất 60 - 80 lít/h. ..............................59 Bảng 3.10: Các thông số kỹ thuật của thiết bị công suất 300 lít/h. .................................61 Bảng 3.11: Bảng chi phí xây dựng lắp đặt thiết bị công trình. ................................. 68 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ô nhiễm Asen gây bệnh ung thư da .......................................................13 Hình 2.1: Bể ngầm trữ nước mưa ...........................................................................16 Hình 2.2: Bể trữ nước mưa nổi...............................................................................16 Hình 2.3: Giếng khoan kết hợp máy bơm ..............................................................17 Hình 2.4: Bể lọc cát đơn giản .................................................................................17 Hình 2.5: Chuyển giao công nghệ chế tạo lõi lọc bằng vật liệu Nano dạng màng 20 Hình 2.6: Nghiên cứu chế tạo thiết bị lọc bằng vật liệu Nano cacbon để xử lý Asen ................................................................................................................................20 Hình 2.7: Vật liệu cacbon Nano .............................................................................23 Hình 2.8: Cấu tạo bộ lọc đơn chiếc công nghệ nano ..............................................24 Hình 2.9: Chuẩn bị nguyên vật liệu sản xuất lõi lọc ..............................................25 Hình 2.10: Gắn đáy vào thân lõi.............................................................................25 Hình 2.11: Tiếp liệu và nén ép vật liệu vào thân lõi ..............................................26 Hình 2.12: Gắn nắp vào thân lõi.............................................................................26 Hình 2.13: Nén ép lõi hoàn thiện ...........................................................................27 Hình 2.14: Kiểm tra đo đạc sản phẩm ....................................................................27 Hình 2.15: Bộ lọc đơn chiếc công suất 60 – 80 l/h ................................................28 Hình 2.16: Bộ lọc đơn chiếc công suất 300 - 350 l/h .............................................29 Hình 2.17: Sơ đồ dây chuyền công nghệ................................................................30 Hình 3.1: Vị trí xã Cao Dương trên bản đồ ............................................................33 Hình 3.2: Trẻ em trong lớp học tại trường mầm non Cao Dương .........................37 Hình 3.3: Lớp học trường mầm non Cao Dương – khu Dược Liệu .......................38 Hình 3.4: Nước giếng khoan nhiễm sắt và Asen tại Cao Dương ...........................38 Hình 3.5: Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý ứng dụng công nghệ nano ..........53 Hình 3.6: Mặt bằng bố trí hạng mục công trình xử lý ứng dụng công nghệ nano 54 Hình 3.7: Bản vẽ giếng khoan kết hợplắp đặt máy bơm nước ...............................55 Hình 3.8: Mặt cắt bể lọc cát ...................................................................................56 Hình 3.9: Mặt cắt bể chứa nước sau lọc cát ...........................................................58 Hình 3.10: Fin lọc tinh ...........................................................................................58 Hình 3.11: Thiết bị lọc nước xử lý Asen hộ gia đình .............................................59 Hình 3.12: Thiết bị lọc nước xử lý Asen trường mầm non ....................................60 Hình 3.13: Lắp đặt thiết bị xử lý tại hộ gia đình ....................................................63 Hình 3.14: Lắp đặt thiết bị xử lý tại trường mầm non ...........................................63 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. Tuy nhiên sự phát triển kinh tế quá nóng trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu diễn ra ngày càng nhanh hơn dẫn đến nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên nước, dẫn tới tình trạng ô nhiễm nguồn nước ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng như Asen trong nước ngầm. Ô nhiễm Asen (thạch tín-ký hiệu hóa học: As) trong nước ngầm đã trở thành mối quan tâm đặc biệt trên thế giới khi xảy ra thảm họa nhiễm độc Asen trên diện rộng ở Bangladesd và Tây Bengan Ấn Độ. Nhiễm độc Asen có thể gây ra những căn bệnh nguy hiểm dẫn tới tử vong cho con người như ưng thư da và các cơ quan nội tạng. Ngày nay, ngoài hai khu vực trên, đã phát hiện nhiều nơi trên thế giới như Mỹ, Canađa, Achentina, Đài Loan, Việt Nam cũng có các nguồn nước bị nhiễm Asen. Vì vậy 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. Một trong các giải pháp công nghệ được quan tâm gần đây là ứng dụng vật liệu Nano trong lọc nước cấp nước ăn, uống. Đây là công nghệ mới và hiện đại nhất hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới. Công nghệ Nano đã và 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, đặc biệt có thể xử lý loại bỏ được các kim loại nặng như asen,.. đạt tiêu chuẩn cấp nước ăn, uống. Ở Việt Nam hiện nay, có nhiều nguồn nước ngầm bị nhiễm asen, đặc biệt là những vùng gần khu đô thị, công nghiệp. Xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội là một trong các điểm bị nhiễm asen với hàm lượng khá cao, có mẫu phân tích cao gấp hàng chục lần tiêu chuẩn cho phép của WHO, làm nhiễm độc nguồn nước, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của cộng đồng, đặc biệt làm 2 tăng nguy cơ gây ung thư trong cơ thể con người. Trong khi đó phần lớn nguồn nước sử dụng cho sinh hoạt hàng ngày của người dân trong xã hiện nay là các giếng khoan khai thác nước ngầm đã bị ô nhiễm asen. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng các công nghệ nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội là cần thiết và cấp bách. II. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội. III. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen. Phạm vi nghiên cứu: Vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội. 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 ô nhiễm Asen, qua đó đánh giá thực trạng mức độ ô nhiễm Asen của vùng nghiên cứu để đưa ra những giải pháp công nghệ phù hợp trong cấp nước sinh hoạt, xử lý Asen đạt tiêu chuẩn cho phép. - 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: Các phương pháp nghiên cứu mới, các công nghệ mới đặc biệt là công nghệ Nano đang được các nước trên thế giới quan tâm đặc biệt vì nó có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và mang lại hiệu quả rất cao, trong đó ứng dụng công nghệ nano trong lọc nước cấp nước có thể xử lý được các kim loại nặng có hại cho sức khỏe con người như Asen…đạt tiêu chuẩn cấp nước ăn, uống. 3 - Tiếp cận có sự tham gia của những người hưởng lợi trong các dự án cấp nước sinh hoạt: Các dự án cấp nước được thực hiện để cung cấp nguồn nước với chất lượng đảm bảo tới người sử dụng do đó cần phải tìm hiểu, đánh giá ý kiến, nguyện vọng của người sử dụng từ đó có thể đưa ra giải pháp công nghệ xử lý nước cấp phù hợp với khả năng, điều kiện kinh tế của vùng nghiên cứu. - Tiếp cận đáp ứng nhu cầu: Tính toán, đánh giá đúng nhu cầu nước sinh hoạt, nước ăn uống cho vùng ô nhiễm Asen để đề xuất các giải pháp kỹ thuật công nghệ phù hợp, tiết kiệm chi phí xây dựng lắp đặt thiết bị xử lý. 4.2 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp điều tra, thu thập các số liệu, tài liệu có liên quan: Điều tra thu thập các tài liệu, số liệu liên quan về vùng ô nhiễm Asen và các công nghệ lọc nước để phục vụ công tác đánh giá thực trạng ô nhiễm Asen trong nguồn nước và đưa ra giải pháp công nghệ xử lý phù hợp. - Phương pháp phân tích, xử lý, đánh giá số liệu: Các giải pháp công nghệ sẽ được áp dụng trên cơ sở phân tích, xử lý, đánh giá số liệu được thu thập từ thực tế nhu cầu lọc nước cấp nước vùng ô nhiễm Asen. - Phương pháp thống kê và phân tích hệ thống: Thống kê và phân tích hệ thống sẽ giúp cho việc xử lý đánh giá số liệu, tài liệu và đánh giá hiệu quả của các công nghệ lọc nước cấp nước chính xác và toàn diện. - Phương pháp kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đó về cấp nước sinh hoạt cho khu vực đã bị ô nhiễm Asen trên thế giới và trong nước (Viện nước, tưới tiêu và Môi trường và một số cơ quan khác), kế thừa các kết quả của công nghệ nano trong lọc nước cấp nước sinh hoạt đã được ứng dụng trong thực tế. - Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến các chuyên gia trong lĩnh vực cấp nước sinh hoạt và trong công nghệ, khoa học nano qua đó lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp nhất cho lọc nước cấp nước vùng ô nhiễm Asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội. 4 V. Những kết quả đạt được Ứng dụng được công nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 5 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. Vật liệu Nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và 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. 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 6 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. 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. 7 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. 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 8 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. 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 9 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. 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 10 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 lấy đi được những tạp chất bẩn. Công nghệ này có thể xử lý các nguồn nước có độ cứng toàn phần và COD cao cũng như đối với nước có màu và nước nhiễm phèn chua mặn. Tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ Nano trong những năm gần đây nhưng ngành công nghệ Việt Nam cũng có những bước chuyển tạo ra sức hút mới. Nhà nước cũng đã dành một khoản ngân sách khá lớn cho chương trình nghiên cứu công nghệ Nano cấp quốc gia với sự tham gia của nhiều trường Đại học và Viện nghiên cứu. Hàng năm, nhiều cuộc hội thảo trao đổi kinh nghiệm về nghiên cứu vật liệu Nano đã được tổ chức như: Hội thảo về ứng dụng công nghệ Nano sản xuất các thiết bị xử lý và lọc nước do hội Thông tin Khoa học kỹ thuật thành phố Hà Nội, công ty Vivina phối hợp với Tập đoàn Biocera (Hàn Quốc) tổ chức ngày 24/9/2004, tại Hà Nội. Biocera đã giới thiệu việc sử dụng công nghệ Nano chế tạo hạt Ceramic dùng để xử lý nước. Từ các dạng hạt này, sản xuất ra các thiết bị lọc nước dùng trong sinh hoạt (sản phẩm đã được Bộ Y tế và cơ quan an toàn thực phẩm Hoa Kỳ (FDA) chứng nhận chất lượng); Hội thảo quốc tế về khoa học vật liệu tiên tiến và công nghệ Nano tổ chức ngày 16/9/2008 tại Nha Trang. Hội nghị nhằm nâng cao khả năng hợp tác về công nghệ vật liệu giữa các nước ASEAN và thúc đẩy nghiên cứu công nghệ Nano ở Việt Nam. Ngoài ra, rất nhiều các nhà khoa học đã có các đề tài, công trình khoa học nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lĩnh vực xử lý nước và đã đạt được những ý nghĩa thiết thực có thể áp dụng trong thực tiễn như: Viện Nước, Tưới tiêu 11 và Môi trường với đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị sử dụng vật liệu Nano để xử lý nước có nhiễm Asen phục vụ cấp nước sinh hoạt nông thôn”, do PGS.TS Hà Lương Thuần làm chủ nhiệm thực hiện 2008-2010. Trên cơ sở tiếp thu ứng dụng công nghệ tiên tiến thông qua việc hợp tác với Viện hàn lâm KH tự nhiên Liên bang Nga, kết hợp với cải tiến ứng dụng cho phù hợp với công nghệ sản xuất, chế tạo, phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam, đề tài đã nghiên cứu thiết kế và sản xuất ứng dụng thành công thiết bị sử dụng vật liệu Nano để xử lý nước có nhiễm Asen đạt tiêu chuẩn cấp nước ăn uống với nhiều quy mô lọc nước khác nhau: Thiết bị lọc quy mô hộ gia đình, cụm gia đình và thiết bị lọc quy mô cụm dân cư, trường học, trạm y tế. 1.4 Tổng quan về nhu cầu nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm Asen Các giải pháp cấp nước sinh hoạt vùng ô nhiễm Asen có thể sử dụng là: Với quy mô hộ gia đình có thể sử dụng bể chứa nước mưa, giếng đào, giếng khoan hộ gia đình hoặc sử dụng nguồn nước cấp từ các trạm xử lý nước tập trung quy mô nhỏ đến quy mô lớn. Tuy nhiên với giải pháp sử dụng nguồn nước ngầm thì nguồn nước cần phải được qua xử lý trước khi đưa vào sử dụng cho sinh hoạt và ăn uống. Theo sự chỉ đạo của Ban chủ nhiệm chương trình mục tiêu Quốc gia về Nước sạch & VSMT và được sự giúp đỡ của tổ chức Unicef. Từ năm 2004 đến tháng 9/2006, Trung tâm NSH & VSMTNT tỉnh Hà Tây cũ đã tiến hành lấy 15.771 mẫu nước lấy từ các giếng đào, các bể chứa nước, các trạm cấp nước tập trung và giếng khoan khai thác nước trong các tầng chứa nước qh và qp. Kết quả tổng hợp tất cả các mẫu nước cho thấy huyện Thanh Oai bị nhiễm Asen cao nhất trong tỉnh với tỷ lệ mẫu nhiễm là 51,12%. Điều tra hiện trạng thực tế trên địa bàn huyện Thanh Oai tại 3 xã : Cao Dương, Xuân Dương, Cự khê, là 3 xã được đánh giá là bị ô nhiễm nghiêm trọng nhất bởi Asen trong nước ngầm. Bảng 1.2: Hiện trạng ô nhiễm Asen tại Hà Tây cũ (năm 2008) Tổng TT Huyện số Số mẫu nước bị nhiễm Asen (mg/l) Tổng Chia ra Tỷ lệ nhiễm 12 mẫu số 1 Chương Mỹ 1.319 54 32 17 5 2 Ưng Hòa 2.967 1.381 227 385 538 231 46,55 3 Thanh Oai 2.864 1.464 500 502 356 106 51,12 4 Đan Phượng 1.242 509 102 165 146 96 40,98 5 Hoài Đức 2.000 749 494 210 45 37,45 6 Phúc Thọ 5.32 165 70 61 34 31,02 7 Ba Vì 455 16 8 6 2 3,52 8 Mỹ Đức 891 160 60 34 37 29 17,96 9 Phú Xuyên 1.479 634 91 107 293 143 42,87 10 Thường Tín 1.946 967 141 233 322 271 49,69 Tổng 15.771 6.099 1.725 1720 1.778 876 38,67 7,1% 38,67 % so với tổng số 100% 49,40% 0,05-0,07 0,07-0,1 0,1-0,2 13,97% 13,93% 14,40% > 0,2 Asen 3,87 Nguồn: Trung tâm NSH & VSMTNT tỉnh Hà Tây cũ Trong khi đó, theo kết quả điều tra sơ bộ tại Cao Dương gần 100% các hộ gia đình ở đây sử dụng nguồn nước ăn uống, sinh hoạt là nước giếng khoan và nước mưa, trong đó nước giếng khoan là chủ yếu( khoảng 80% ). Nhiều hộ gia đình dùng nước giếng khoan trực tiếp không qua bể lọc. Việc dùng nước sinh hoạt không hợp vệ sinh ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người, đặc biệt với nguồn nước sinh hoạt bị ô nhiễm Asen. Sử dụng nguồn nước bị nhiễm Asen trong sinh hoạt, lâu dài sẽ có thể dẫn tới ung thư. Theo các nghiên cứu, đánh giá của WHO thì nếu bị nhiễm độc asen ở mức độ thấp, mỗi ngày một ít với liều lượng dù nhỏ nhưng trong thời gian dài sẽ gây: mệt mỏi, buồn nôn và nôn, hồng cầu và bạch cầu giảm, da sạm, rụng tóc, sút cân, giảm trí nhớ, mạch máu bị tổn thương, rối loạn nhịp tim, đau mắt, đau tai, viêm dạ dày và ruột, làm kiệt sức, ung thư...,