Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Luận văn nghiên cứu tổng hợp vật liệu sắt oxit kích thước nano trên nền bentonit...

Tài liệu Luận văn nghiên cứu tổng hợp vật liệu sắt oxit kích thước nano trên nền bentonit để xử lý asen trong nước ngầm

.PDF
79
125
96

Mô tả:

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU KÍCH THƢỚC NANO SẮT OXIT TRÊN NỀN BENTONIT ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƢỚC NGẦM TRẦN QUỐC VIỆT CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG MÃ SỐ: 8440301 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Hướng dẫn 1: PGS.TS.Đào Ngọc Nhiệm Đơn vị công tác: Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 2. Hướng dẫn 2: TS. Mai Văn Tiến Đơn vị công tác: Khoa Môi trường- Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Hà Nội - Năm 2019 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU KÍCH THƢỚC NANO SẮT OXIT TRÊN NỀN BENTONIT ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƢỚC NGẦM HUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG TRẦN QUỐC VIỆT Hà Nội - Năm 2019 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn 1: PGS.TS.Đào Ngọc Nhiệm – Viện Vật Liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam. Cán bộ hướng dẫn 2: TS. Mai Văn Tiến – Khoa Môi trường – Trường đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS.Nguyễn Huy Tùng Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Trần Mạnh Trí Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 17 tháng 01 năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tại Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS.Đào Ngọc Nhiệm - Trưởng phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin cam đoan các kết quả này chưa được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đã trình bày trong bản báo cáo này. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN VĂN (Ký và ghi rõ họ tên) Trần Quốc Việt XÁC NHẬN QUYỂN LUẬN VĂN ĐỦ ĐIỀU KIỆN NỘP LƢU CHIẾU CHỦ NHIỆM KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CÁN BỘ HƢỚNG DẪN PGS.TS. Lê Thị Trinh PGS.TS. Đào Ngọc Nhiệm TS. Mai Văn Tiến LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đào Ngọc Nhiệm, Trưởng phòng Vật liệu Vô cơ – Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Ban giám hiệu và toàn thể quý thầy, cô giáo trong khoa Môi trường – Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã truyền đạt và giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và rèn luyện, cũng như đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện được luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS. Mai Văn Tiến- Giảng viên Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường đã hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành nghiên cứu này. Xin cảm ơn anh Phạm Ngọc Chức, anh Đoàn Trung Dũng, chị Nguyễn Hà Chi phòng Phân tích Vô cơ- Viện Khoa họcVật liệu, đã giúp đỡ tôi về thiết bị máy móc sử dụng. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành nghiên cứu này. Trong thời gian khuôn khổ của một luận văn, chắc chắn sẽ không thể bao quát trọn vẹn được hết các vấn đề xoay quanh nội dung cần nghiên cứu của luận văn. Vì vậy, tôi xin chân thành cảm ơn và mong nhận được nhiều ý kiến từ các thầy, cô giáo góp ý bổ sung cho luận văn này. Qua các ý kiến đóng góp, giúp tôi có thể hoàn thiện hơn vốn kiến thức của mình trong ứng dụng các vấn đề nghiên cứu vào cuộc sống. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Quốc Việt MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của luận văn ..........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................1 3. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................2 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN .........................................................................................3 1.1. Nƣớc ngầm và tình hình ô nhiễm ..........................................................................3 1.1.1. Asen và độc tính của asen .....................................................................................3 1.1.2. Sự ô nhiễm asen trong môi trường nước ở Việt Nam và trên thế giới ..................5 1.1.3. Tác hại của Asen đối với con người ......................................................................7 1.2. Tổng quan về bentonite ..........................................................................................8 1.2.1. Thành phần của bentonite ......................................................................................8 1.2.2. Tính chất của bentonite .........................................................................................8 1.3. Hấp phụ và trao đổi ion của vật liệu ...................................................................10 1.3.1. Phương pháp trao đổi ion ....................................................................................11 1.3.2. Phương pháp hấp phụ ..........................................................................................11 1.3.3. Một số công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen .................................................19 1.4. Lựa chọn giải pháp loại bỏ asen bằng phƣơng pháp hấp phụ trên nano Fe2O3 .......................................................................................................................................22 1.5. Phƣơng pháp chế tạo tổng hợp nano sắt oxit .....................................................22 1.5.1. Giới thiệu về nano oxit sắt ...................................................................................22 1.5.2. Các phương pháp tổng hợp nano oxit sắt ............................................................25 CHƢƠNG II: ĐỐI TƢỢNG PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...30 2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................30 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................................30 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................30 2.2. Nguyên liệu, hóa chất dụng cụ và thiết bị nghiên cứu ......................................30 2.2.1. Thiết bị, dụng cụ ..................................................................................................30 2.2.2. Hóa chất ...............................................................................................................31 2.3. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu ...........................................................................31 2.3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu sắt oxit, kích thước nanomet ...................................31 2.3.2. Quy trình tổng hợp vật liệu sắt oxit/bentonit kích thước nanomet. .....................32 2.4. Khảo sát và tối ƣu hóa các điều kiện phản ứng tổng hợp vật liệu ..................34 2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới quá trình tổng hợp vật liệu .............34 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel tới quá trình tổng hợp vật liệu....................34 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ thể tích AT/PVA tới quá trình tổng hợp vật liệu.........34 2.4.4. Khảo sát nhiệt độ tạo gel tới quá trình tổng hợp của vật liệu..............................34 2.4.5. Khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ thể tích Fe3+/(AT+PVA) tới quá trình tổng hợp vật liệu.............................................................................................................................. ...34 2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu .......................................................................35 2.5.1. Phương pháp phân tích nhiệt ...............................................................................35 2.5.2. Phương pháp nhiễu xạ rơnghen ...........................................................................36 2.5.3. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu ( kính hiển vi điện tử quét SEM và hiển vi điện tử truyền qua TEM)........................................................38 2.5.4. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng ( phương pháp đo BET) ..................40 2.5.5. Phương pháp xác định điểm điện tích không của vật liệu ...................................41 2.6. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng kim loại asen trong nƣớc ..........................42 2.6.1. Phương pháp phân tích asen theo tiêu chuẩn việt nam TCVN 6182:1996 (ISO 6595 : 1982 (E)) .............................................................................................................42 2.6.2.Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometric- AAS) .....................................................................................................42 2.6.3. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng ....................................... 43 2.7. Phƣơng pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu ................................44 2.7.1. Phương pháp hấp phụ tĩnh ...................................................................................44 2.7.2. Phương pháp hấp phụ động .................................................................................44 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................47 3.1. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến sự hình thành pha của vật liệu nhƣ nhiệt độ nung, pH tạo gel, tỉ lệ theo thể tích KL/PVA, nhiệt độ tạo gel,... .....47 3.1.1. Vật liệu oxit nano Fe2O3 ......................................................................................47 3.1.2. Vật liệu oxit nano Fe2O3/bentonit........................................................................54 3.2. Nghiên cứu khả năng tái sinh của vật liệu GB ...................................................59 3.3. Kết quả thử nghiệm hiệu quả xử lý Asen đối với mẫu nƣớc thực tế ...............62 3.4. So sánh với các nghiên cứu đã thực hiện ............................................................62 CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................63 1. Kết luận......................................................................................................................63 2. Kiến nghị ...................................................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 64 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BET Brunauer- Emmett- Teller: Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng lấy theo tên riêng của 3 nhà khoa học SEM Scanning Electron Microscopy: Hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Microscopy: Hiển vi điện tử truyền qua XRD X-Ray Diffraction: Nhiễm xạ Rơnghen PVA Poli Vinyl Ancol AT Axit tartaric VLHP Vật liệu hấp phụ HPVL Hấp phụ vật lý HPHH Hấp phụ hóa học GB Vật liệu Fe2O3/Bentonit qmax Dung lượng hấp phụ cực đại đơn lớp Qan toàn Dung lượng hấp phụ an toàn trên cột DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen ..........................................19 Bảng 1.2. Đánh giá sơ bộ khả năng xử lý của các loại vật liệu đang được nghiên cứu và sử dụng ở Việt Nam. .................................................................................................21 Bảng 3.1. Giá trị ∆pH của dung dịch hấp thụ tại các khoảng ph khác nhau .................51 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối với as(V) của oxit nano Fe2O3 ..............................................................................................................................52 Bảng 3.3. Dung lượng hấp phụ của Fe2O3 kích thước nanomet đối với as(V) .............53 Bảng 3.4. Kết quả xác định hàm lượng sắt trên bentonit .............................................54 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ as(V). ...............................55 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ As(V) đến dung lượng hấp phụ của vật liệu GB1, GB2, GB3. .....................................................................................................................56 Bảng 3.7. Các thông số của phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với As(V) trên các vật liệu GB1, GB2 và GB3 ..............................................................................57 Bảng 3.8. Dung lượng hấp phụ asen của một số oxit sắt phủ bentonit theo phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ...............................................................................58 Bảng 3.9. Nồng độ ion Asen (V) còn lại trong dung dịch sau khi đi qua cột hấp phụ..58 Bảng 3.10. Kết quả chạy cột đối với asen lần một trên vật liệu GB .............................59 Bảng 3.11. Nồng độ asen thu hồi được khi giải hấp trên vật liệu GB ...........................60 Bảng 3.12. Kết quả chạy cột đối với asen lần hai trên vật liệu GB ...............................61 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của α-Fe2o3 (a) và γ-Fe2o3 (b) .............................................23 Hình 1.2. Cơ chế hình thành oxit sắt trong mạng PVA .................................................25 Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phương pháp đốt cháy gel PVA ...........................32 Hình 2.2. Sơ đồ chế tạo vật liệu Fe2O3/bentonit ............................................................33 Hình 2.3. Thiết bị phân tích nhiệt labsysevo .................................................................35 Hình 2.4. Hiện tượng các tia x nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn ........................37 Hình 2.5. Kính hiển vi điện tử quét Fesem (hitachi s-4800) .........................................38 Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử truyền qua tem (h-7600, hitachi) ..................................39 Hình 2.7. Hình ảnh máy hấp thụ nguyên tử analyst 200 ...............................................43 Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel .............................................................47 Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ở các nhiệt độ nung khác nhau ..................48 Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các giá trị pH khác nhau ..................48 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các tỉ lệ AT:PVA khác nhau ............49 Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau .........49 Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các tỉ lệ Fe3+/(AT+PVA) khác nhau 50 Hình 3.7. Ảnh SEM (a) và TEM (b) của oxit Fe2O3 .....................................................51 Hình 3.8. Đồ thị xác định điểm điện tích không của oxit nano Fe2O3 ..........................52 Hình 3.9. Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) của Fe2O3 kích thước nanomet ..............53 Hình 3.10. Ảnh SEM của bentonit trước khi phủ Fe2O3 ...............................................54 Hình 3.11. Ảnh SEM của bentonit sau khi phủ Fe2O3 ..................................................55 Hình 3.12. Đường cong đẳng nhiệt hấp phụ asen của vật liệu GB1(a), GB2 (b) và GB3 (c) ..........................................................................................................................57 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận văn Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường nước nói riêng đang trở nên ngày càng nghiêm trọng. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ, môi trường sống của con người ngày càng bị ô nhiễm, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống và sức khỏe con người, trong đó nghiêm trọng nhất là môi trường nước. Thật không khó để chúng ta bắt gặp những thông tin về ô nhiễm môi trường trên các phương tiện truyền thông. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra tình trọng ô nhiễm môi trường hiện nay mà chúng ta có thể kể đến đó là sự phát triển kinh tế, sự phát triển về công nghiệp, nông nghiệp, quá trình đô thị hóa và rất nhiều các nguyên nhân khác nữa. Nguồn nước chủ yếu được khai thác là nước ngầm. Nước ngầm thường chứa các chất có hại cho sức khỏe của con người như kim loại, hợp chất lưu huỳnh, hợp chất nito, halogel và một số các hợp chất khác. Đặc biệt Asen (còn gọi là thạch tín) là một nguyên tố có hại cho sức khỏe con người như mẩn ngứa, ung thư. Các phương pháp hóa học, hóa- lý được lựa chọn để xử lý nước như kết tủa, hấp thụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxi hóa khử, tạo phức, keo tụ, sa lắng, lọc màng và thẩm thấu ngược. Tùy trong yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp xử lý đơn lẻ hay tổ hợp. Nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng cả về chất lượng và số lượng. Trong một vài năm tới chúng ta phải đảm bảo cho 80% dân số được sử dụng nước sạch. Để đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt cho người dân, nhất là những hộ dân đang sử dụng nước từ các giếng khoan ở những vùng nước ngầm ô nhiễm asen, vấn đề loại bỏ asen là cần thiết và cấp bách. Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của vật liệu mới vào xử lý môi trường đặc biệt là môi trường nước ngầm, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu kích thƣớc nano sắt oxit trên nền bentonit để xử lý asen trong nƣớc ngầm” để nghiên cứu. Dựa trên các kết quả thực hiện đề tài, hướng ứng dụng công nghệ chế tạo vật liệu có kích thước nanomet trong lĩnh vực môi trường nước đáp ứng một phần nhu cầu về nước sạch hiện nay được đề xuất. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tổng hợp được vật liệu kích thước nano sắt oxit trên nền bentonit. 1 - Đánh giá được khả năng hấp phụ xử lý asen trong nước ngầm của vật liệu có kích thước nano sắt oxit, sắt oxit / bentonit. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu sắt oxit trên nền bentonit có kích thước nano bằng phương pháp đốt cháy gel PVA. - Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành pha của vật liệu như nhiệt độ nung, pH tạo gel, tỉ lệ theo thể tích KL/PVA, nhiệt độ tạo gel,.... - Phân tích đặc trưng cấu trúc tính chất của vật liệu. - Thử nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ xử lý asen trong nước ngầm của vật liệu nano sắt oxit và vật liệu sắt oxit-bentonit.. 2 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Nƣớc ngầm và tình hình ô nhiễm Nhu cầu của nước sinh hoạt và công nghiệp tồn tại song song với sự phát triển của con người, ở đâu có nước thì ở đó có sự sống. Thực tế lượng nước dự trữ trên trái đất hiếm hoi mà nhu cầu sử dụng lại lớn. Để đáp ứng nhu cầu dùng nước con người không ngừng tìm các nguồn gốc khác nhau là nước mặt và nước ngầm. Nước mặt là nước trong ao, hồ, sông, suối. Nước sông chảy qua nhiều vùng đất khác nhau vì thế lẫn nhiều tạp chất hàm lượng cặn cao ( nhất là vào mùa lũ) có nhiều chất hữu xơ, rong tảo, vi trùng, đều bị ô nhiễm. Nguồn nước ngầm có được là do sự thẩm thấu của nước mặt, nước mưa, nước trong không khí, qua các tầng vỉ đất đá tạo nên những túi nước trong lòng đất. Trong quá trình thẩm thấu một phần nước bị giữ lại ở các khe núi hay các lỗ xốp của các tầng đất đá tạo nên các tầng ngậm nước. Thông thường nước ngầm di chuyển qua một số lớp như: sỏi, cát thô, cát trung, cát mịn và đá vôi. Cho đến tầng không ngấm nước (đất sét và hoàng thổ). Nước ngầm có ưu điểm là tính ổn định, ít bị ô nhiễm hơn nước mặt. Việc chọn nguồn nước là quá trình rất phức tạp, ngoài vấn đề kinh tế thì việc đánh giá chất lượng nước luôn được xem là quan trọng. Việc đánh giá thường được thực hiện thông qua một số chỉ tiêu của nước, qua đó có thể xác định công nghệ xử lý thích hợp tùy theo những khu vực nhất định có những điều kiện cụ thể mà cần đánh giá khảo sát cho phù hợp. 1.1.1. Asen và độc tính của Asen Asen là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong các nguyên tố có trên bề mặt trái đất. Nó nằm ở vị trí 33 trong bảng tuần hoàn, được xem là một dạng á kim có độc tính tương tự các kim loại nặng như chì, thủy ngân. Vỏ trái đất chỉ chứa một hàm lượng rất nhỏ asen (~0,0001%); tuy nhiên, nó lại phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Trong tự nhiên, nguyên tố asen tồn tại ở dạng nguyên chất với ba dạng hình thù (dạng α có màu vàng, dạng β có màu đen, dạng γ có màu xám). Nguyên tố asen cũng tồn tại ở một số dạng ion khác [30]. Asen thường tồn tại dưới dạng hợp chất. Chính các hợp chất của asen mới là những chất độc cực mạnh. Các dạng hợp chất As (III) có độc tính cao hơn dạng As(V). Trong nước, asen tồn tại ở các dạng khác nhau phụ thuộc vào pH dung dịch. Dạng oxianion của As(V) có 4 dạng gồm H3AsO4, H2AsO4-, HAsO42- và AsO43- tương ứng với khoảng pH < 2; 2-7; 7-12 và > 12 [30,32] với các giá trị pKa như sau: -H+ pKa = 2,1 H3AsO4 H2AsO4- -H+ 2HAsO 4 pKa = 6,7 3 -H+ AsO43pKa = 11,2 Dạng oxianion của As(III) có 4 dạng gồm H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32- và AsO33- [27] với các giá trị pKa như sau: H3AsO3 -H+ pKa = 9,1 H2AsO3- -H+ HAsO32pKa = 12,1 -H+ AsO33pKa = 13,4 Asen là nguyên tố vi lượng, rất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của con người và sinh vật nhưng phải ở một mức độ nhất định. Asen đóng vai trò trong trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin. Khi hàm lượng asen vượt quá mức cho phép (0,01mg/l đối với nước sinh hoạt, nước uống) thì chúng rất nguy hiểm. Bởi vì nó có khả năng tấn công vào các nhóm hoạt động –SH của enzim, làm cản trở hoạt động của engim: Các enzim sản sinh năng lượng của tế bào (ATP) trong chu trình của axit nitric bị ảnh hưởng rất lớn bởi sự hình thành phức của engim với As(III). Do có sự tương tự về tính chất hóa học với photpho, asen can thiệp vào một số quá trình hóa sinh làm rối loạn photpho. Trong cơ thể, chất sinh năng lượng chủ yếu là adennozin triphotphat (ATP). Một giai đoạn quan trọng trong quá trình hình thành và phát triển của ATP là tổng hợp enzim của 1,3-diphotphoglixerat từ glixerandehit-3photphat. Phức 1-aseno-3-photpho glixerat được tạo thành khi có mặt asen sẽ gây cản 4 trở giai đoạn này. Sự photpho hóa được thay bằng sự asen hóa, quá trình này kèm theo sự thủy phân tự nhiên tạo thành 3-photphoglixerat và asenit. As(III) ở nồng độ cao làm đông tụ các protein là do sự tấn công liên kết của nhóm sunfua bảo toàn các cấu trúc bậc 2 và bậc 3. Như vậy, asen có 3 tác dụng hóa sinh là: làm đông tụ protein, tạo phức với enzim và phá hủy quá trình photpho hóa. Các chất chống tính độc của asen là chất có chứa nhóm –SH như 2,3đimecaptopropanol (HS-CH2-CH(SH)-CH2OH) có khả năng tạo liên kết với As(III). Nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng cả về chất lượng và số lượng. Trong một vài năm tới chúng ta phải đảm bảo cho 80% dân số được sử dụng nước sạch. Nguồn nước chủ yếu được khai thai thác là nước ngầm. Theo thống kê chưa đầy đủ cả nước hiện nay có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó nhiều giếng có nồng độ asen cao hơn nhiều lần nồng độ cho phép. Các dạng asen trong nước ngầm phụ thuộc vào trạng thái và tính chất của nước. Dạng As tồn tại chủ yếu trong nước ngầm là H2AsO4- (trong môi trường pH đến gần trung tính), HAsO4- (trong môi trường kiềm). Hợp chất H3AsO+ được hình thành chủ yếu trong môi trường oxi-hóa khử yếu. Các hợp chất As hữu cơ có độ hòa tan kém hơn, đặc biệt là phức Asen-acid fulvic trong môi trường có pH trung tính và nghèo Ca. Tại những vùng trầm tích núi lửa, một số khu vực quặng phong hóa nguồn gốc nhiệt dịch, mỏ dầu – khí, mỏ than thường giàu asen. 1.1.2. Sự ô nhiễm asen trong môi trường nước ở Việt Nam và trên thế giới Tốc độ công nghiệp hoá, đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với môi trường nước. Môi trường nước bị ô nhiễm bởi các chất 5 vô cơ và hữu cơ. Trong số các chất ô nhiễm vô cơ, kim loại nặng gây ra nhiều tác hại nguy hiểm đối với con người và môi trường sống của động thực vật trong nước ô nhiễm. Một trong các kim loại nặng đặc biệt nguy hiểm là asen vì nó làm ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người ở nhiều nước trên thế giới. Achentina, Mexico, Chi Lê, Mỹ, Trung Quốc, Mông Cổ, Thái Lan, Philippin, Đài Loan, Ấn Độ, Bangladet và Việt Nam là các quốc gia có sự ô nhiễm asen đáng báo động [47]. Bangladet được đánh giá là nước có mức độ ô nhiễm asen trong nước sinh hoạt cao nhất với nguy cơ gây tử vong hàng trăm nghìn người. Tại các nước phát triển, asen cũng được tìm thấy trong nước và các hoạt động công nghiệp như khai khoáng. Vụ ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Bangladet được coi là vụ ngộ độc asen lớn nhất trong lịch sử loài người. Hiện tượng nước uống nhiễm độc asen không chỉ đe dọa người dân Bangladet; các nghiên cứu mới đây cho thấy, vấn đề này đã ảnh hưởng đến cuộc sống của người dân 17 nước trên thế giới, trong đó có nửa tỉ dân ở khu vực châu thổ sông Hằng. Năm 1991, lần đầu tiên thế giới phát hiện ra ô nhiễm asen trong nước ngầm tại Đài Loan, số người bị ảnh hưởng lên tới 100.000. Ở Việt Nam, asen trong nước ngầm đã phát hiện được đầu tiên vào năm 1993, sau đó tổ chức Y tế thế giới WHO và UNICEF nhận thấy cấu trúc địa chất của Việt Nam có những đặc thù tương tự như của Bangladet nên đã khuyến cáo về khả năng có thể có sự hiện diện của asen trong nước ngầm. Theo thông báo của Bộ Tài nguyên và Môi trường các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ như Hà Nam, Hà Nội, Hưng Yên, Hải Dương, Vĩnh Phúc đều có hiện tượng ô nhiễm asen. Trên bản đồ điều tra về tình hình ô nhiễm asen của nước ngầm tại thành phố Hà Nội và một số khu vực ngoại thành cho thấy sự báo động về tình hình ô nhiễm asen trong nước ngầm, chỉ rất ít những khu vực có nồng độ asen ở mức an toàn còn lại chủ yếu nồng độ asen đều vượt ngưỡng cho phép, đặc biệt khu vực phía nam Hà Nội có nơi nồng độ asen > 0,3 mg/l, lớn hơn 30 lần chỉ tiêu cho phép [24]. Không chỉ ở đồng bằng Bắc Bộ, khu vực miền Trung cũng có biểu hiện ô nhiễm asen với mức độ khác nhau. Khu vực đồng bằng sông Cửu Long mức độ ô nhiễm tương đối nặng nề, đặc biệt là các tỉnh Long An, Đồng Tháp, An Giang, Kiên Giang. 6 Theo đánh giá của WHO, nước ta có trên mười triệu người có thể phải đối mặt với nguy cơ tiềm tàng về nhiễm độc asen. 1.1.3. Tác hại của asen đối với con người Asen (còn gọi là thạch tín) là 1 nguyên tố phân tán trên trái đất, hầu như có mặt trong tất cả các mẫu đất đá, khoáng vật và trong các mẫu động thực vật. Asen tồn tại trong tự nhiên thường ở dạng As(III) và As(V) trong đó trạng thái As(III) thường độc hơn trạng thái As(V). Từ lâu con người biết đến ô nhiễm asen qua đường hô hấp và đường tiêu hóa. Đối với con người asen tích lũy trong gan, thận, hồng cầu, hemoglobin và đặc biệt tụ tập trong não, xương, da, phổi và tóc. Sự ô nhiễm asen xuất hiện như một thảm họa môi trường đối với sức khỏe con người. Các biểu hiện đầu tiên của bệnh nhiễm độc asen là chứng sạm da, dầy biểu bì, sừng hóa từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da. Các điều tra tại Đài Loan đã tìm thấy một loạt sự liên quan giữa việc nhiễm asen với các bệnh tắc nghẽn mạch máu ngoại biên (bệnh chân đen vì các chi bị chuyển thành mầu đen do bị hoại thư). Ngày nay khoa học đã chứng minh được asen còn là nguyên nhân của rất nhiều căn bệnh nguy hiểm khác như ung thư thận, phổi, bàng quang, ruột kết, mũi. Điểm đặc biệt nguy hiểm là cả hai dạng As(III) và As(V) đều là các chất dễ hòa tan trong nước và không mầu, không vị do đó không thể phát hiện bằng trực giác. Sự phát hiện người nhiễm asen rất khó do những triệu chứng của bệnh phải từ 5-15 năm sau mới xuất hiện. Chính vì thế mà các nhà khoa học gọi chúng là “sát thủ vô hình”. Và điều đáng lưu ý là asen độc gấp bốn lần so với thủy ngân. Nếu bị ngộ độc cấp tính bởi asen sẽ có biểu hiện: khát nước dữ dội, đau bụng, nôn mửa, tiêu chảy, mạch đập yếu, mặt nhợt nhạt rồi thâm tím, bí tiểu và tử vong nhanh. Nếu bị nhiễm độc asen ở mức độ thấp, mỗi ngày một lượng dù nhỏ nhưng trong một 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... Đáng tiếc là mặc dù đã tốn rất nhiều đầu tư trong y học nhằm tìm kiếm thuốc và phác đồ điều trị các bệnh liên quan đến nhiễm độc asen nhưng cho đến nay cộng đồng y học thế giới vẫn chưa tìm ra một giải pháp hữu hiệu nào. 7 1.2. Tổng quan về bentonite 1.2.1. Thành phần của bentonite Bentonit là loại khoáng sét thiên nhiên phyllosilicat nhôm hút nước thuộc nhóm smectit. Thành phần chính của bentonit là montmorillonit (MMT), ngoài ra còn có một số khoáng chất khác như quartz, cristobalit, feldespar, biotit, kaolinit, illit, pyroxen, zircon, calcit,... Công thức đơn giản nhất của montmorillonit (Al2O3.4SiO2.nH2O) ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Công thức lý tưởng của montomrillonit là Si8Al4O20(OH)4 cho một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên, thành phần hoá học của montmorillonit luôn khác với thành phần biểu diễn theo lý thuyết do có sự thay thế đồng hình của các cation kim loại như Al3+, Fe2+, Mg2+,… với Si trong tứ diện và Al trong bát diện [1]. Khoáng sét xuất hiện trong tự nhiên với sự biến thiên trong thành phần phụ thuộc trên nhóm của họ và nguồn gốc của chúng. Công thức phân tử chung của MMT được biết thông thường là (M+x.nH2O)(Al2-yMgx)Si410(OH)2, trong đó M+ là cation trao đổi giữa lớp (M+ = Na+ , K+ , Mg2+ hay Ca2+), trong điều kiện lý tưởng, x = 0,33 [2]. Như vậy thành phần hoá học của montmorillonit với thành phần chủ yếu là các nguyên tố Si và Al, còn có các nguyên tố như Mg, Fe, Na, Ca,…Ngoài ra trong khoáng có thêm một số nguyên tố vi lượng khác như: Ti, Tl,... Trong đó tỷ lệ của Al2O3 : SiO2 dao động từ 1:2 đến 1:4. Ở Việt Nam có một trữ lượng dồi dào song mới được khai thác trong phạm vi nhỏ và mới được sử dụng làm vật liệu gốm, vật liệu xây dựng,... mà chưa được nghiên cứu nhiều để nâng cao tính năng sử dụng. 1.2.2. Tính chất của bentonite Bentonit thể hiện một số tính chất đặc trưng là trương nở, kết dính, hấp phụ, trơ, nhớt và dẻo. Do những tính chất này mà bentonite được ứng dụng từ xa xưa như làm đồ gia dụng: bát, đĩa, chum, vại... vầ ngày nay được sử dụng làm chất xúc tác, chất tạo huyền phù trong sơn, thuốc nhuộm, khử giấy... - Tính dẻo: Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở mạnh trong nước nên bentonit có tính nhớt và dẻo. - Tính kết dính: khi kết hợp với nước, bentonite có tính kết dính mạnh, ứng dụng nhiều trong đời sống hang ngày. 8 - Tính co: khi đem bentonite nung với nhiệt, nước trong bentonite sẽ bị bay hơi, dẫn đến sự giảm thể tích. - Tính keo tụ lƣu biến: vì bentonit có tính nhớt, kết hợp với kích thước hạt bé, lại phức tạp nên khi hấp thụ một lượng nước nhất định, bentonit có tính lưu biến. - Tính trơ: bentonit trơ và bền hóa học nên không độc, có thể ăn được. Người ta dùng bentonit làm chất độn trong dược phẩm, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, làm chất lọc sạch và tẩy màu cho bia, rượu vang và mật ong. - Tính hấp phụ: Tính chất hấp phụ của bentonit đƣợc quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc mao quản của nó. Với kích thước hạt nhỏ hơn 2 μm và do đặc điểm của cấu trúc mạng lưới tinh thể, bentonit có diện tích bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt của bentonit gồm diện tích bề mặt ngoài và bề mặt trong. Diện tích bề mặt trong được xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Do khoảng cách cơ bản giữa các lớp bị thay đổi phụ thuộc vào loại cation trao đổi giữa các lớp, phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của chất bị hấp phụ, nên bề mặt trong của bentonit cũng bị thay đổi trong quá trình hấp phụ. Diện tích bề mặt ngoài được xác định bởi bề mặt của các mao quản hình thành giữa các hạt bentonit. Diện tích bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt bentonit. Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài càng lớn [3]. Khả năng hấp phụ của bentonit còn phụ thuộc vào tính chất, kích thước, hình dạng của các chất bị hấp phụ. Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm ở giữa các lớp; liên kết với các cation đó qua các phân tử nước, nên phụ thuộc vào số lượng phân tử nước liên kết ở không gian giữa các lớp. Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxy đáy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bởi lực VanderWalls hoặc liên kết hiđro. Với các chất hữu cơ không phân cực, chất cao phân tử và đặc biệt là vi khuẩn thì sự hấp phụ chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của bentonit. Nhờ khả năng hấp phụ lớn và đa dạng mà bentonit được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong nền kinh tế với vai trò là một vật liệu hấp phụ tự nhiên. Việc nghiên cứu tính chất hấp phụ của bentonit có ý nghĩa khoa học cũng như ý nghĩa thực tiễn rất lớn. - Tính trƣơng nở: Khi kết hợp với nước, các phân tử phân cực hoặc các cation bị hấp phụ vào khe trống giữa các lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, tăng thể tích của bentonit ban đầu. Độ trương nở là mức độ tăng thể tích khi bị làm ướt nước. Độ trương nở của bentonite phụ thuộc vào bản chất cation trao đổi trên bề mặt lớp sét. Mức độ 9
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan