Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crôm và chì

  • Số trang: 100 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 43 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phạm Thị Thùy Dƣơng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẮT NANO XỬ LÝ NƢỚC Ô NHIỄM CRÔM VÀ CHÌ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 Luận văn Thạc sĩ khoa học 1 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phạm Thị Thùy Dƣơng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẮT NANO XỬ LÝ NƢỚC Ô NHIỄM CRÔM VÀ CHÌ Chuyên ngành: Khoa học Môi Trƣờng Mã số: 60 85 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. LÊ ĐỨC Hà Nội - 2012 Luận văn Thạc sĩ khoa học 2 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BIỂU ĐỒ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................... 13 1.1. Tổng quan về crom và chì .......................................................................... 13 1.1.1. Nguồn gốc, tính chất hóa lý, các dạng tồn tại của crom và chì ........... 13 1.1.1.1. 1.1.1.2. 1.1.2. 1.1.2.1. 1.1.2.2. Crom ................................................................................................. 13 Chì..................................................................................................... 16 Nguyên nhân gây ô nhiễm crom và chì ở trong nƣớc ......................... 19 Crom ................................................................................................. 20 Chì..................................................................................................... 25 1.1.3. 1.1.3.1. 1.1.3.2. Ảnh hƣởng độc hại của Cr và Pb đối với con ngƣời và sinh vật ......... 30 Ảnh hưởng của crom ......................................................................... 30 Ảnh hưởng của Pb ............................................................................. 33 1.2. Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc thải ô nhiễm kim loại nặng. ..................... 35 1.2.1. 1.2.2. 1.2.3. 1.3. Phƣơng pháp xử lý lý học .................................................................. 35 Phƣơng pháp xử lý hóa học và hóa lý ................................................ 36 Phƣơng pháp sinh học. ....................................................................... 37 Khái quát về nano ...................................................................................... 38 1.3.1. 1.3.2. 1.3.2.1. 1.3.2.2. Công nghệ nano ................................................................................. 38 Vật liệu nano ..................................................................................... 38 Khái niệm .......................................................................................... 38 Tính chất của vật liệu nano................................................................ 39 1.3.2.3. 1.3.2.4. 1.3.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano ............................................. 40 Một số ứng dụng của vật liệu nano .................................................... 46 Giới thiệu về vật liệu chứa sắt nano và nano lƣỡng kim ..................... 50 1.3.3.1. Tính chất của hạt sắt nano ................................................................. 50 1.3.3.2. Tính chất của hạt nano lưỡng kim...................................................... 51 Luận văn Thạc sĩ khoa học 3 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì 1.4. Tổng quan về khu công nghiệp Phố Nối A ................................................. 53 1.4.1. 1.4.2. Giới thiệu chung ................................................................................ 53 Hiện trạng môi trƣờng nƣớc thải khu công nghiệp Phố Nối A............ 55 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 57 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................ 57 2.2. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 57 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................ 57 2.3.1. 2.3.1.1. Hóa chất và thiết bị ............................................................................ 57 Hoá chất ............................................................................................ 57 2.3.1.2. Thiết bị sử dụng ................................................................................. 58 2.3.2. 2.3.3. 2.3.3.1. 2.3.3.2. 2.3.4. Phƣơng pháp xác định nƣớc ô nhiễm Cr và Pb................................... 58 Chuẩn bị vật liệu sắt nano, nano lƣỡng kim ....................................... 58 Điều chế sắt nano .............................................................................. 58 Điều chế nano lưỡng kim (Fe - Cu)................................................... 59 Phân tích các đặc tính của vật liệu ..................................................... 59 2.3.5. Khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý nƣớc ô nhiễm Cr và Pb bằng sắt nano, nano lƣỡng kim ............................................................ 60 2.3.5.1. Đối với Cr(VI) ................................................................................... 60 2.3.5.2. Đối với chì ......................................................................................... 61 2.3.6. Đánh giá hiệu quả xử lý nƣớc ô nhiễm Cr và Pb của vật liệu sắt nano và nano lƣỡng kim. ............................................................................................ 62 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................... 64 3.1. Kết quả điều chế sắt nano và nano lƣỡng kim ............................................ 64 3.1.1. 3.1.1.1. 3.1.1.2. 3.1.1.3. Sắt nano ............................................................................................. 64 Phổ nhiễu xạ tia X của sắt nano......................................................... 64 Ảnh chụp SEM của sắt nano .............................................................. 66 Ảnh chụp TEM của sắt nano .............................................................. 67 3.1.2. Nano lƣỡng kim ................................................................................. 69 3.1.2.1. Phổ nhiễu xạ tia X của nano lƣỡng kim .............................................. 69 3.1.2.2. Ảnh chụp TEM của nano lƣỡng kim Fe-Cu ........................................... 70 3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình xử lý nƣớc ô nhiễm Cr(VI) và Pb bằng sắt nano và nano lƣỡng kim…………………………………………….63 Luận văn Thạc sĩ khoa học 4 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì 3.2.1. Đối với Cr(VI) .......................................................................................... 72 3.2.2. Đối với chì................................................................................................ 79 3.3. Hiện trạng ô nhiễm nƣớc tại khu công nghiệp Phố Nối A của tỉnh Hƣng Yên85 3.4. Đánh giá hiệu quả xử lý nƣớc ô nhiễm Cr và Pb của vật liệu sắt nano và nano lƣỡng kim. .............................................................................................................. 86 3.4.1. Thử nghiệm trong xử lý Cr ................................................................ 86 3.4.2. Thử nghiệm trong xử lý chì ............................................................... 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 88 Kết luận .................................................................................................................. 88 Kiến nghị ................................................................................................................ 89 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 90 Luận văn Thạc sĩ khoa học 5 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Lƣợng thải Crom vào khí quyển từ các nguồn tự nhiên và do con ngƣời năm 1983………………………………………………………………………………………11 Bảng 2: Hàm lƣợng Cr vào đất từ nguồn nông nghiệp………………………………….14 Bảng 3: Trị số trung bình Cr trong bùn, cống rãnh thành phố…………….…………….14 Bảng 4: Hàm lƣợng Cr trong bùn thải toàn cầu ...............................................................15 Bảng 5: Trữ lƣợng của Pb trong môi trƣờng…………..…………………………...……16 Bảng 6: Hàm lƣợng Pb trong bùn và trong đất tại xã Chỉ Đạo ( Hƣng Yên)....................19 Bảng 7 : Các chất và hợp chất có thể xử lý bằng Fe0 nano……………….…………….38 Bảng 8: Ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả xử lý Cr(VI)…………………………..……..63 Bảng 9: Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý Cr(VI)…….………….65 Bảng 10: Ảnh hƣởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu……………………………………...66 Bảng 11: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nano đến hiệu quả xử lý Cr(VI)…………...……..68 Bảng 12: Ảnh hƣởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý chì………………..………69 Bảng 13: Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý chì……………..……71 Bảng 14: Ảnh hƣởng của nồng độ chì ban đầu………………………………………… 72 Bảng 15: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nano đến hiệu quả xử lý chì……………………. 74 Bảng 16: Kết quả phân tích mẫu nƣớc thải KCN Phố Nối A ………………………… 75 Luận văn Thạc sĩ khoa học 6 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì DANH MỤC HÌNH Hình 1. Vòng tuần hoàn của Cr trong ô nhiễm môi trƣờng………………..……………10 Hình 2. Vòng tuần hoàn của Pb, 103 t/năm ……………………………………………..18 Hình 3. Viêm da tiếp xúc do Cr……………………………………………………...….22 Hình 4. Sơ đồ chu chuyển trong môi trƣờng và thâm nhập của Pb vào cơ thể ngƣời.....24 Hình 5. Hệ nhũ tƣơng nƣớc trong dầu và dầu trong nƣớc…………...………………….33 Hình 6. Cơ chế hoạt động của phƣơng pháp vi nhũ tƣơng……...……………………....34 Hình 7. Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano trong dung dịch…………………….35 Hình 8. Ứng dụng của sắt nano trong môi trƣờng……………………………………….37 Hình 9. Mô hình cấu tạo hạt sắt nano và các phản ứng khử xảy ra trên bề mặt của hạt Fe 0 nano………………………………………………………………………………………40 Hình 10. Sơ đồ mặt bằng vị trí quy hoạch khu công nghiệp Phố Nối A………………..44 Hình 11. Phổ nhiễu xạ tia X của sắt nano……………………………………………….54 Hình 12. Ảnh nhiễu xạ tia X mẫu sắt nano đƣợc điều chế bởi Yuan-Pang Sun, Xiao-Qin Li, Jiasheng Cao, Wei-xian Zhang, H. Paul Wang (2006)………………………………55 Hình 13. Ảnh SEM lớp ở dƣới, không sử dụng chất phân tán………………………….56 Hình 14. Ảnh SEM lớp ở trên, không sử dụng chất phân tán…………………………. 57 Hình 15. Mẫu sắt nano điều chế…………………………………………………..….….58 Hình 16. Ảnh TEM phân tử sắt nano điều chế bởi một số nhà khoa học khác…..…….58 Hình 17. Phổ nhiễu xạ tia X của nano lƣỡng kim……………………………………….59 Hình 18. Ảnh nhiễu xạ tia X của nano lƣỡng kim Fe – Cu đƣợc chế tạo bởi Chien-Li Lee & Chih-Ju G Jou…………………………………………………………………………60 Luận văn Thạc sĩ khoa học 7 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì Hình 19. Ảnh chụp TEM của phân tử nano lƣỡng kim đã điều chế …………………….61 Hình 20. Ảnh chụp TEM về nano lƣỡng kim Fe-Ni của Zhanqiang Fang, Xinhong Qiu, Jinhong Chen, Xiuqi Qiu (2011)………………………………………………………... 61 Hình 21. Cơ chế khử Cr(VI) của sắt nano……………………………………………….62 Luận văn Thạc sĩ khoa học 8 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 1: Ảnh hƣởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý Cr(VI)…………………...63 Biểu đồ 2: Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý Cr(VI)………….….65 Biểu đồ 3: Ảnh hƣởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu……………..………………...……67 Biểu đồ 4: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nano đến hiệu quả xử lý Cr(VI)…..…………... 68 Biểu đồ 5: Ảnh hƣởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý chì………………………70 Biểu đồ 6: Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý chì………………… 71 Biều đồ 7: Ảnh hƣởng của nồng độ chì…………………………………………..….…..73 Biểu đồ 8: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nano đến hiệu quả xử lý chì…………...………..74 Luận văn Thạc sĩ khoa học 9 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AAS Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử BOD Nhu cầu oxy sinh hóa COD Nhu cầu oxy hóa học DO IARC JECFA Lƣợng oxy hòa tan trong nƣớc Cơ quan nghiên cứu ung thƣ quốc tế Ủy ban Chuyên gia Quốc tế về Phụ gia Thực phẩm LD50 pH QCVN Liều gây chết trung bình Độ chua của nƣớc Quy chuẩn Việt Nam SEM Kính hiển vi điện tử quét TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua TSS Luận văn Thạc sĩ khoa học Tổng chất rắn lơ lửng 10 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì MỞ ĐẦU Kinh tế Việt Nam hiện nay so với nhiều năm trƣớc đã có nhiều chuyển biến, đời sống của ngƣời dân đã đƣợc nâng lên đáng kể.Theo Viện Kiến trúc Quy hoạch (Bộ Xây dựng), tính đến thời điểm tháng 2/2011, Việt Nam hiện có 256 khu công nghiệp và 20 khu kinh tế đã đƣợc thành lập. Bên cạnh việc phát triển kinh tế, con ngƣời đã quan tâm hơn tới vấn đề bảo vệ môi trƣờng. Tuy nhiên, hoạt động này chỉ dừng lại ở một mức độ nhất định, đặc biệt vấn đề xử lý chất thải ở các khu công nghiệp. Nguyên nhân chủ yếu là do lƣợng khu công nghiệp lớn và thƣờng xuyên xả chất thải không qua xử lý hoặc xử lý chƣa triệt để ra môi trƣờng. Lƣợng chất thải này bao gồm nhiều thành phần nhƣ vô cơ, hữu cơvà đặc biệt là kim loại nặng. Một phần kim loại nặng này nằm trong nƣớc thải, chúng xâm nhập và gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc. Phần còn lại tích lũy trong đất, đi vào chuỗi thức ăn và gây ảnh hƣởng tới sức khỏe con ngƣời và sinh vật sống. Việt Nam là một trong 5 nƣớc sẽ chịu ảnh hƣởng nghiêm trọng của biến đổi khí hậu và nƣớc biển dâng. Theo tính toán của các chuyên gia nghiên cứu biến đối khí hậu, đến năm 2100, nhiệt độ trung bình ở Việt Nam có thể tăng lên 30ºC và mực nƣớc biển có thể dâng cao 1m. Theo đó, khoảng 40 nghìn km2 đồng bằng ven biển Việt Nam sẽ bị ngập. Nƣớc biển dâng cao hơn sẽ làm cho nhiều vùng đồng bằng nƣớc ngọt hiện nay trở thành vùng nƣớc lợ, hàng triệu ngƣời sẽ có nguy cơ bị mất chỗ ở, từ đó làm gia tăng sức ép lên sự phát triển của các vùng lân cận, làm thay đổi chế độ thủy văn dòng chảy và gây áp lực đến 90% diện tích ngập nƣớc. Vì vậy, tiết kiệm nguồn nƣớc ngọt đang là vấn đề cần thiết đƣợc đặt ra vào thời điểm này. Đƣợc nghiên cứu lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1959 bởi nhà vật lý học ngƣời Mỹ Richard Feynman, song chỉ bắt đầu thu đƣợc thành quả trong vòng 2 thập kỷ trở lại đây, công nghệ nano đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với khoa học nhân loại. Với rất nhiều triển vọng ứng dụng, những hạt phân tử nano với kích thƣớc bé nhỏ 1nm=10-9m đã mở đƣờng cho một xu hƣớng phát triển mới của tƣơng lai. Công nghệ nano hứa hẹn sẽ mang lại cho y học một bƣớc tiến vƣợt bậc. Đó là sự ra đời của những rôbốt siêu nhỏ có thể đi sâu vào trong cơ thể, đến từng tế bào để hàn Luận văn Thạc sĩ khoa học 11 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì gắn, chữa bệnh cho các mô xƣơng bị gãy và thậm chí là tiêu diệt những virut gây bệnh đang ở trong cơ thể. Công nghệ nano cũng đƣợc ứng dụng trong điều trị ung thƣ và trong các xét nghiệm chuẩn đoán bệnh. Các nhà khoa học Mỹ đã đƣa ra ý tƣởng về việc ứng dụng công nghệ nano làm thay đổi vật liệu bằng cách tác động vào nồng độ nguyên tử của chúng. Cách làm này giúp các nhà khoa học tạo ra các pin mặt trời với hiệu quả khai thác năng lƣợng lớn gấp 5 lần so với loại pin mặt trời truyền thống làm từ silicon hiện nay. Ngoài ra công nghệ nano còn đƣợc ứng dụng trong làm sạch môi trƣờng. Một trong những ứng dụng của công nghệ nano đó là dùng để chế tạo các thiết bị, chẳng hạn nhƣ các lƣới lọc nƣớc nano với cấu tạo đủ rộng để cho các phân tử nƣớc đi qua, song cũng đủ hẹp để ngăn chặn các phân tử chất bẩn gây ô nhiễm. Đặc biệt, công nghệ này cũng đƣợc đánh giá là sạch (ít gây ô nhiễm) và hiệu quả hơn trong các công nghệ hiện tại. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã tiến hành xây dựng luận văn với đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sắt nano để xử lý nước ô nhiễm crôm và chì”. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm các nội dung sau: - Nghiên cứu quá trình chế tạo sắt nano và nano lƣỡng kim. - Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý nƣớc thải ô nhiễm crôm và chì bằng sắt nano và nano lƣỡng kim. - Ứng dụng sắt nano và nano lƣỡng kim vào xử lý nƣớc thải Khu công nghiệp Phố Nối A. Luận văn đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp thực nghiệm tại Phòng phân tích môi trƣờng, Bộ môn Thổ nhƣỡng và Môi trƣờng đất, Khoa Môi trƣờng, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Luận văn Thạc sĩ khoa học 12 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về crom và chì 1.1.1. Nguồn gốc, tính chất hóa lý, các dạng tồn tại của crom và chì 1.1.1.1. Crom Tính chất vật lý Crom nguồn gốc tự nhiên là sự hợp thành của 3 đồng vị ổn định; 52Cr, 53Cr và 54Cr với 52Cr là phổ biến nhất (83,789%). Là kim loại cứng, màu xám thép với độ bóng cao. Là chất không mùi, không vị và dễ rèn. Cr có nhiệt độ nóng chảy là 1875ºC; nhiệt độ sôi là 2197ºC. Tính chất hóa học Crom thuộc chu kì 4, nhóm VIB. Khối lƣợng phân tử là 51,9661 đvC, là nguyên tố có số thứ tự 24 trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Các trạng thái oxi hóa phổ biến của Cr là +2, +3 và +6 trong đó Cr(+3) là ổn định nhất. Ngoài ra trong các hợp chất crom còn có các số oxi hóa là +1; +4 và +5 nhƣng khá hiếm. Các hợp chất của Cr ở trạng thái oxi hóa +6 là những chất có tính oxi hóa mạnh. Trong không khí, Cr đƣợc oxy thụ động hóa, tạo thành một lớp mỏng oxit bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn quá trình oxi hóa xảy ra tiếp. Crom không phản ứng trực tiếp với hơi H2O do có lớp oxit bảo vệ. Ở điều kiện thƣờng không phản ứng với O2, nhƣng khi đốt cháy trong không khí tạo thành Cr2O3. Ở nhiệt độ cao, Cr phản ứng với các halogen. Crom thụ động trong axit HNO3 đặc nguội, H2SO4 đặc nguội. Crom tan trong dung dịch kiềm, tác dụng với muối của những kim loại có thế tiêu chuẩn cao hơn tạo thành muối Cr(II). Các hợp chất quan trọng của Crom Hợp chất Cr(III) Trong hệ thống chứa nƣớc, Cr(III) có thể ở dạng Cr3+, Cr(OH)2+ và Cr(OH)4─. Ngoài ra, trong giai đoạn kết tủa Cr(OH)3 chiếm ƣu thế ở pH từ 612 [49]. Trong điều Luận văn Thạc sĩ khoa học 13 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì kiện axit và kiềm nhẹ, có Fe(II), Cr(III) có thể kết tủa nhƣ một hỗn hợp hydroxit vô định hình Crx Fe1─x(OH)3 [28]. Cr(OH)3 vô định hình có thể kết tinh nhƣ Cr(OH)3.3H2O hay Cr2O3 trong các điều kiện khác nhau [47]. Trong môi trƣờng khử và trong trƣờng hợp không có Fe, Cr(III) kết tủa dễ dàng tạo thành Cr(OH)3. Trong môi trƣờng Eh tƣơng đối thấp, dung dịch chứa Cr(III) chủ yếu ở dạng Cr3+, Cr(OH)2+, Cr(OH)3 và Cr(OH)4─ [49] Dạng Cr3+ phổ biến ở pH<4, khi pH tăng Cr3+ bị thuỷ phân thành Cr(OH)2+ (thƣờng trong nƣớc ngầm tại pH từ 68, nhƣng cũng có tại một số vùng nƣớc có tính axit), Cr(OH)30 và Cr(OH)4─(chủ yếu trong nƣớc ngầm có tính kiềm)[49]. Những dạng kết hợp nhƣ Cr2(OH)24+, Cr3(OH)45+ và Cr4(OH)66+ không có vai trò trong tự nhiên. Sự hấp phụ Cr(III) bởi axit humic làm cho nó không bị hòa tan, cố định và không phản ứng, quá trình này hiệu quả nhất trong phạm vi pH từ 2,7 đến 4,5 [35]. Ngƣợc lại, axit fulvic và axit citric tạo với Cr(III) thành hợp chất phức hoà tan, kiểm soát quá trình oxi hóa của nó đến Cr(VI) trong đất [17] [18]. Cr(III) dễ tạo phức với một số phối tử nhƣ: hydroxyl, sulfat, amoni(NH4), xyanua và sunfocyanua, florua, clorua(ở mức thấp hơn) và các phối tử hữu cơ tự nhiên và tổng hợp [50]. Chỉ có một hợp chất Cr(III) Cr2O3 là có khả năng oxy hoá, vì vậy oxy là trung tâm trong quá trình oxy hoá – khử Cr [36]. Trong nƣớc ngầm ở pH >4, nồng độ Cr(III) bị hạn chế và làm giảm khả năng hoà tan. Cr(III) có độ tan thấp khi ở thể rắn nhƣ Cr2O3 và Cr(OH)3 [33].  Đó là lý do tại sao Cr(III) thƣờng chiếm tỷ lệ % nhỏ trong tổng nồng độ Cr trong tự nhiên hoặc nƣớc bị ô nhiễm. Cr(III) có xu hƣớng ổn định trong hầu hết nƣớc ngầm vì chúng có tính hoà tan thấp. Hợp chất Cr(VI) Cr(VI) tồn tại trong thành phần của một số hợp chất. Cr(VI) có mặt trong dung dịch ở các dạng H2CrO40, HCrO4─(bicromat), CrO42─(cromat), CrO3(Cr(VI) oxit) hoặc Cr2O72─(dicromat) [47]. Luận văn Thạc sĩ khoa học 14 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì Trong điều kiện oxy hoá dung dịch Cr, Cr(VI) ở dạng anion HCrO4─ hoặc CrO42─, phụ thuộc vào pH (CrO42─ ở pH cao hơn). Trong điều kiện pH bình thƣờng của nƣớc (từ 6 8) dạng ion CrO42─, HCrO4─ hoặc Cr2O72─ là chủ yếu. Ở nồng độ tƣơng đối cao của Cr(VI), ion Cr2O72─ chiếm ƣu thế ở môi trƣờng axit [50]. Cr(VI) không tồn tại trong môi trƣờng nhƣ một cation tự do, mà thực tế tất cả các dạng Cr(VI) đều ở dạng oxi hoá, chúng hoạt động nhƣ một anion -2(ion 2─) chứ không phải dạng cation Cr(VI) [36]. Hàm lƣợng tƣơng đối của các dạng Cr(VI) phụ thuộc và pH và tổng nồng độ Cr(VI) [47] Ví dụ: - Hàm lƣợng đáng kể của H2CrO40 chỉ có trong điều kiện pH =1; - pH ≥ 6 CrO42─ chiếm ƣu thế [23]; - pH < 6 HCrO4─ là chủ yếu khi hàm lƣợng Cr(VI) tƣơng đối thấp; - Hàm lƣợng Cr(VI) tăng thì Cr2O72─ chiếm chủ yếu [47]. Những dạng này tạo thành những hợp chất Cr(VI), chúng có tính hoà tan mạnh và do đó di động trong môi trƣờng [37]. Chúng có khả năng hoà tan khác nhau và có xu hƣớng đƣợc hấp phụ bởi đất hoặc vật liệu tầng ngậm nƣớc [21]. Khả năng hoà tan của Cr(VI) trong nƣớc ngầm là không hạn chế. Ion cromat CrO42─và ion dicromat Cr2O72─ hoà tan trong nƣớc ở tất cả các độ pH. Tuy nhiên, cromat có thể tồn tại nhƣ một muối không hoà tan của một loại cation hoá trị 2 nhƣ Ba2+, Sr2+, Pb2+, Zn2+. Tốc độ của phản ứng kết tủa/hoà tan giữa cromat, ion dicromat và những cation khác phụ thuộc rất nhiều vào độ pH. Các phản ứng hoà tan là một phần quan trọng trong việc đánh giá tác động môi trƣờng của Cr bởi vì Cr(VI) thƣờng đi vào môi trƣờng đất bằng cách hoà tan muối cromat (Ví dụ SrCrO4) [49]. Luận văn Thạc sĩ khoa học 15 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì Hấp phụ của Cr(III) và Cr(VI) : Bề mặt oxit Fe và Al sẽ hấp phụ các ion cromat CrO42─ ở pH có tính axit và trung tính. Hấp phụ của Cr(VI) trong nƣớc ngầm bằng vật liệu phù sa tầng ngậm nƣớc là do các oxit Fe và hydroxit phủ lên các hạt phù sa [25]. Tuy nhiên, sự hấp phụ Cr(VI) đƣợc giải hấp bằng cách thâm nhập vào nƣớc ngầm không bị ô nhiễm, điều này cho thấy sự hấp phụ không đặc hiệu của Cr(VI). Sự hiện diện của clorua và NO3¯ ảnh hƣởng đến sự hấp phụ Cr(VI), trong khi sulphat và photphat có xu hƣớng ức chế sự hấp phụ. Cromat có thể đƣợc hấp phụ bởi Fe, Al oxit, nhôm vô định hình, hydroxit, phức hữu cơ và các thành phần khác, những thành phần này có thể bảo vệ Cr(VI) khỏi quá trình khử [19]. Ngoài ra, vật liệu Cr(III) có thể đƣợc hấp phụ vào các thành phần silicat. Trong dung dịch nƣớc của đất, Cr(III) không đƣợc hấp phụ bởi pha rắn mà bị thuỷ phân thành hydroxit và kết tủa. Cromat ít có khả năng kết tủa và sẽ di động hơn. Trong trƣờng hợp này, phản ứng kết tủa gắn chặt với phản ứng oxy hoá – khử. Trong trầm tích kỵ khí, quá trình oxy hoá không thể xảy ra và hydroxit crom Cr(OH)3 có thể đƣợc cố định khi các trầm tích có thành phần ổn định [29]. Các dạng tồn tại của Crom trong tự nhiên Trong tự nhiên đã phát hiện đƣợc tất cả 30 loại khoáng vật chứa Cr, trong đó chỉ có vài loại trong nhóm cromspinelit là có giá trị trong công nghiệp. Công thức chung của cromspinelit: (Mg, Fe)(Al, Cr)2O4 chứa 18-62% Cr2O3, trong đó có giá trị thực tiễn lớn nhất là 3 dạng: magnhecromit (Fe, Mg) Cr2O3, và alumocromit (Fe, Mg)(Cr, Al)2O4. Trong số các hợp chất tự nhiên khác của Cr, đáng chú ý là: crocoit PbCr2O3; fơnicocroit Pb3(Cr4)2O; uvarovit Ca3Cr2(SiO4); kemererit (Mg, Fe)5 (Al, Cr)(AlSi3O10)(OH)8 1.1.1.2. Chì Tính chất vật lý Nguyên tố chì có số thứ tự 82, thuộc nhóm IVA, chu kỳ VI. Nhiệt độ nóng chảy 327,4ºC. Nhiệt độ sôi 1740ºC.Các đồng vị ổn định nhất của chì: Luận văn Thạc sĩ khoa học 206 Pb (chiếm 24,1%); 16 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì 207 Pb (chiếm 22,1%); 208 Pb (chiếm 52,4%). Ngoài ra còn có thời gian bán phân hủy là 1,53.107năm; 204 205 Pb tổng hợp nhân tạo, có Pb chiếm 1,4% có thời gian bán phân hủy là 1,4.107năm. Chì là kim loại nặng có ánh kim, có màu xanh xám, mềm, bề mặt chì thƣờng mờ đục do bị ôxi hóa. Tính chất hóa học Chì là kim loại tƣơng đối hoạt động về mặt hoá học. Ở điều kiện thƣờng, Pb bị oxi hoá tạo thành lớp oxit màu xám xanh bao bọc bên trên mặt bảo vệ cho Pb không bị oxi hoá. Nhƣng khi gặp nƣớc, nƣớc sẽ tách dần màng oxit bao bọc ngoài và Pb tiếp tục bị tác dụng. Chì tƣơng tác với halogen và nhiều nguyên tố phi kim khác. Chì có thế điện cực âm nên về nguyên tắc nó tan đƣợc trong các axit. Nhƣng thực tế Pb chỉ tƣơng tác ở trên bề mặt với dung dịch axit clohiđric loãng và axit sunfuric dƣới 80% vì bị bao bọc bởi lớp muối khó tan (PbCl2 và PbSO4). Với dung dịch đậm đặc hơn của các axit đó, Pb có thể tan vì muối khó tan của lớp bảo vệ đã chuyển thành hợp chất tan: PbCl2 + 2HCl = H2PbCl4 PbSO4 + H2SO4 = Pb(HSO4)2 Với axit nitric ở bất kỳ nồng độ nào, Pb tƣơng tác nhƣ một kim loại: 3Pb + 8HNO3loãng = 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O Khi có mặt oxi, Pb có thể tƣơng tác với nƣớc: 2Pb + 2H2O + O2 = 2Pb(OH)2 Có thể tan trong axit axetic và các axit hữu cơ khác: 2Pb + 4CH3COOH + O2 = 2Pb(CH3COO)2 + 2H2O Với dung dịch kiềm, Pb có tƣơng tác khi đun nóng, giải phóng hiđro: Pb + 2KOH + 2H2O = K2[Pb(OH)4] + H2 Luận văn Thạc sĩ khoa học 17 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì Các dạng tồn tại của chì trong tự nhiên Chì tạo thành 2 oxit đơn giản là PbO, PbO2 và 2 oxit hỗn hợp là chì metaplombat Pb2O3 (hay PbO.PbO2), chì orthoplombat Pb3O4 (hay 2PbO.PbO2). Monooxit PbO là chất rắn, có hai dạng: PbO có màu đỏ và PbO có màu vàng. PbO tan ít trong nƣớc nên chì có thể tƣơng tác với nƣớc khi có mặt oxi. PbO tan trong axit và tan trong kiềm mạnh. Chì đioxit PbO2 là chất rắn màu nâu đen, có tính lƣỡng tính nhƣng tan trong kiềm dễ dàng hơn trong axit. Khi đun nóng PbO2 mất dần oxi biến thành các oxit, trong đó Pb có số oxi hoá thấp hơn: 290 - 320oC 390 - 420oC PbO2 (nâu đen) Pb2O3 (vàng đỏ) 530 - 550oC Pb3O4 (đỏ) PbO (vàng) Chì orthoplombat (Pb3O4) hay còn gọi là minium là hợp chất của Pb có các số oxi hoá +2, +4. Nó đƣợc dùng chủ yếu là để sản xuất thuỷ tinh pha lê, men đồ sứ và đồ sắt, làm chất màu cho sơn (sơn trang trí và sơn bảo vệ cho kim loại không bị rỉ). Pb(OH)2 là chất kết tủa màu trắng. Khi đun nóng, chúng dễ mất nƣớc biến thành oxit PbO.Pb(OH)2 cũng là chất lƣỡng tính. Khi tan trong axit, nó tạo thành muối của cation Pb2+: Pb(OH)2 + 2HCl = PbCl2 + 2H2O Khi tan trong dung dịch kiềm mạnh, nó tạo thành muối hiđroxoplombit: Pb(OH)2 + 2KOH = K2[Pb(OH)4] Hàm lƣợng Pb trung bình trong nƣớc biển là 2,7µg/l; trong nƣớc biển Bắc Trƣờng Sa: 5,31µg/l; trong nƣớc biển Tây Trƣờng Sa: 4,05µg/l; trong nƣớc biển Trƣờng Sa: 4,73µg/l. Dạng hoà tan chủ yếu là PbCl-, PbCl2, PbCO3. Hàm lƣợng Pb trong nƣớc biển ven bờ tại cửa sông Thái Bình là 2,2-2,3 µg/l; cửa sông Hồng: 5,5-8,1 µg/l; cửa sông Luận văn Thạc sĩ khoa học 18 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì Tiền: 6,0 µg/l; trong nƣớc sông: 0,01 µg/l. Chì là nguyên tố có thời gian lƣu giữ trong nƣớc biển khá dài (1,6.105 và 1,3.105 năm). Chì là một trong các kim loại nặng có ảnh hƣởng nhiều tới ô nhiễm môi trƣờng vì nó có khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể và gây nhiễm độc tới ngƣời, động vật thủy sinh qua dây truyền thực phẩm. Phản ứng oxy hóa khử của Pb trong môi trƣờng nhƣ sau: Pb2+ + 2H2O +  PbO2 + 4H + 2e Pb2+ tƣơng đối bền, có ái lực mạnh nên có thể thế chỗ các kim loại khác trong cấu trúc của enzym. Phần lớn các muối vô cơ của chì Pb+2 (PbS, PbCO3, PbSO4, Pb(OH)2) là chất ít tan nên hàm lƣợng Pb trong nƣớc ngầm tƣơng đối ít. Chúng có thể tạo nên các phức hydro, cacbonat, sunfat và cacboxyl trong thủy quyển. Hydroxyt chì là hydroxyt lƣỡng tính nên độ hòa tan có thể tăng khi tăng pH cũng nhƣ khi tăng nồng độ CO2 trong pha lỏng: Pb(OH)2 + OH¯  Pb(OH)3¯ Những quặng Pb quan trọng trong tự nhiên là PbS, PbCO3 và PbSO4. 1.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm crom và chì ở trong nước Sự tập trung công nghiệp và đô thị hoá cao độ gây tác động lớn đối với môi trƣờng, trong đó có môi trƣờng nƣớc. Các dòng xả nƣớc thải gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt, nƣớc ngầm, gây ô nhiễm đất. Trong đó: - Sinh hoạt đô thị thải ra một lƣợng tƣơng đối lớn, khoảng 80% lƣợng nƣớc cấp. Lƣợng nƣớc thải này xả trực tiếp ra nguồn tiếp nhận mà không có bất kỳ một biện pháp xử lý nào. Nƣớc thải sinh hoạt chủ yếu chứa các chất ô nhiễm hữu cơ. - Nƣớc thải từ các cơ sở công nghiệp, thủ công nghiệp, đều chƣa qua xử lý hoặc chỉ xử lý sơ bộ. Các chất ô nhiễm trong nƣớc thải công nghiệp rất đa dạng, có cả chất hữu cơ, dầu mỡ, kim loại nặng,... Nồng độ COD, BOD, DO, tổng coliform đều không đảm bảo tiêu chuẩn cho phép đối với nƣớc thải xả ra nguồn. - Nƣớc mƣa chảy tràn, đặc biệt là nƣớc mƣa đợt đầu. Nƣớc thải sinh hoạt ở các thành phố là một nguyên nhân chính gây nên tình trạng ô nhiễm nƣớc và vấn đề này có xu hƣớng Luận văn Thạc sĩ khoa học 19 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì càng ngày càng xấu đi. Nƣớc thải và nƣớc mƣa, nhất là nƣớc mƣa đợt đầu, đều không đƣợc xử lý. - Trong các đô thị, do dân số tăng nhanh, nhƣng hệ thống thoát nƣớc không đƣợc cải tạo xây dựng kịp thời, nên nƣớc thải trực tiếp chảy vào các sông mà không đƣợc kiểm soát chặt chẽ. Vấn đề càng xấu đi do sự quản lý chất thải rắn và xử lý các chất thải công nghiệp không đầy đủ ở các thành phố lớn, thị xã và khu công nghiệp, nên tình trạng ô nhiễm vốn đã xấu, sẽ có chiều hƣớng nghiêm trọng hơn, kéo theo là vấn đề sức khoẻ cộng đồng, cũng nhƣ chất lƣợng đời sống sẽ xấu đi. Tình trạng ô nhiễm nƣớc rõ ràng nhất là ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Huế, Nam Định, Hải Dƣơng và các thành phố, thị xã lớn. Tại Hà Nội, hầu nhƣ các chất thải sinh hoạt và công nghiệp đều không đƣợc xử lý. Trong số 82 khu công nghiệp mới, chỉ khoảng 20 khu công nghiệp có trạm xử lý nƣớc thải tập trung. Đó là các trạm xử lý nƣớc thải tại Khu Công nghiệp Bắc Thăng Long, Khu Công nghiệp Nội Bài ở Hà Nội; Khu Công nghiệp Nomura ở Hải Phòng, Khu Công nghiệp Việt Nam - Singapo ở Bình Dƣơng,... Số khu công nghiệp còn lại vẫn chƣa có trạm xử lý nƣớc thải tập trung. 1.1.2.1. Crom Hình 1: Vòng tuần hoàn của Crom trong ô nhiễm môi trường Luận văn Thạc sĩ khoa học 20
- Xem thêm -