Nghiên ứu nâng cao hiệu quả xử lý asen trong nước ngầm bằng đioxit mangan mno2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THỊ KIM OANH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỦ LÝ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG ĐIOXIT MANGAN MNO2 NGÀNH: CƠNG NGHỆ ĐIỆN HỐ & BVKL NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM THỊ HẠNH HÀ NỘI - 2007 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113913881000000 Tr-êng Đại học Bách khoa Hà Nội Khoa Công nghệ hóa häc Mở đầu Mục lục Trang 1.1 Asen tự nhiên 1.2 Độc tính asen 1 1.3 Tính chất lý hóa học asen 1.4 Tình trạng ô nhiễm asen nước Chương Các công nghệ loại bỏ asen khỏi nước 2.1 Tạo kết tủa 2.2 Keo tụ 2.3 Lắng 2.4 Lọc 2.5 Oxi hóa 9 9 10 2.6 Oxi hóa loại bỏ asen lượng mặt trời (SORAS) 2.7 Chưng cất lượng mặt trời 2.8 Lọc màng 2.9 Hấp phụ 2.9.1 Hấp phụ môi trường nước 10 10 10 11 11 2.9.2 Các đặc tính chất hấp phụ 2.9.3 Cân hấp phụ 2.9.4 Cơ chế hấp phụ 16 19 22 Chương điều chế mno làm vật liệu hấp phụ 24 3.1 Tính chất hóa học MnO2 3.2 Tính chất hấp phụ MnO2 3.3.Các phương pháp điều chế MnO2 24 24 25 3 Điề hế M O22bằ h há điệ hó 3.3.2 Điều chế MnO phương pháp hoá học 25 27 Chương mục tiêu phương pháp nghiên cứu 29 4.1 Mục tiêu nghiên cứu 4.2 Phương pháp nghiên cứu 4.3 Các phương pháp phân tích 4.3.1 Phương pháp xác định asen 29 29 29 29 Phần I Tổng quan Chương giới thiệu chung v asen Lê Thị Kim Oanh Luận văn cao học Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội Khoa Công nghÖ hãa häc 4.3.1.1 Phương pháp phổ hấp phụ nguyên tử 4.3.1.2 Phương pháp thuỷ ngân clorua 4.3.2 Phương pháp xác định điểm đẳng điện 30 30 32 Phần ii thực nghiệm Chương điều chế MnO2 khảo sát khả hấp phụ asen 33 5.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 33 5.2 Phương pháp điện phân điều chế MnO2 5.3 Xác định hình dạng kích thước hạt MnO 5.4 Xác định điểm đẳng điện vật liệu MnO2 5.5 Khảo sát tính hấp phụ MnO 5.5.1 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 35 37 37 38 38 5.5.2 Khảo sát ảnh hưởng độ pH đến khả hấp phụ asen MnO2 5.6 Nghiên cứu khả hấp phụ động asen MnO2 38 Chương nghiên cứu ứng dụng MnO cho xử lý asen 42 6.1 Thành phần sét Trúc Thôn- Hải Dương 6.2 Thành phần bùn nhà máy nước 6.3 Khảo sát vật liệu với tỉ lệ trộn khác 42 42 43 6.3.1 Khảo sát khả hấp phụ asen loạt vật liệu chế tạo 6.3.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ vật liệu M 6.3.3 Khảo sát khả hấp phụ asen vật liệu M0 6.4 Hấp phụ động MnO2 có chất độn M0 44 44 45 46 Phần iii kết thảo luận 47 Chương Kết điều chế MnO2 khả hấp phụ asen 47 7.1 Hiệu suất điện phân 47 7.2 Hình dạng kích thước hạt 47 Khảo Kết sát ả khả át điể đẳ điệhấp phụ 7.4 thời gian đạt cân 49 50 7.5 Khả hấp phụ asen vật liệu MnO2 phụ thuộc pH dung dịch 7.5.1 Kết khảo sát pH = 51 51 7.5.2 Kết khảo sát pH = 7.5.3 Kết khảo sát pH = 7.6 Kết khảo sát khả hấp phụ động asen mẫu nc thc t 53 54 57 Lê Thị Kim Oanh Luận văn cao học 40 Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội Khoa Công nghệ hóa học Chng Kt chế tạo vạt liệu làm hỗn hợp chất độn với MnO2 60 8.1 Độ tiêu hao khối lượng vật liệu sau nung 8.2 Kết khảo sát khả hấp phụ chất độn sau nung 60 60 8.3 Kết khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ M o 8.4 Kết khảo sát khả hấp phụ asen M0 8.5 Kết khảo sát mẫu nước thực 8.6 Kết so sánh khả hấp phụ asen MnO2 61 62 64 67 Kết luận đề xuất 69 I Kết luận Điều chế vật liệu Khả hấp phụ asen vật liệu 69 69 69 Khả hấp phụ asen vật liệu mẫu nước thực II Đề xuất 70 70 Tài liệu tham kho 71 Lê Thị Kim Oanh Luận văn cao học Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội Khoa Công nghÖ hãa häc Mở đầu Asen chất độc biết tới từ thời trung cổ với tên “thạch tín” Asen vỏ trái đất khơng phải nguyên tố hiếm, song tự nhiên có nguy hội nhập vào thể người Nhưng khai thác nước ngầm ăn uống (do nguồn nước mặt bị ô nhiễm) yếu tố hàng đầu dẫn đến thảm hoạ nhiễm độc asen nhiều cộng đồng dân cư nhiều nước giới Năm 1983 lần người ta phát bệnh nhân bị nhiễm độc asen Bangladesh sử dụng nguồn nước ngầm nhiễm asen Từ nước khác phát thêm nạn nhân mang bệnh gọi “Arsenicosis” Song song với việc nghiên cứu điều tra, giới tiến hành nghiên cứu xây dựng công nghệ xử lý asen cho nước ăn uống sinh hoạt (Hội nghị Quốc tế asen lần thứ đến lần thứ năm tổ chức Mỹ Trung Quốc từ 1996 đến 2002) Các nghiên cứu tác động asen cách giảm thiểu đề cập tới “Environmental Health Criteria 18” cuả WHO, 1981: “Arsenic in Drinking Water”, National Academy Press, Washington, DC 1999; “Environmental Science and Technology” 1998 – 2002 Việc nghiên cứu asen nước ta thực chất năm cuối thập kỷ 90 kỷ trước Năm 1993, Đặng Văn Căn đồng nghiệp phát thấy nồng độ asen cao nước số suối thượng nguồn sơng Mã dừng lại [16] Năm 1998 với trung tâm hố học mơi trường trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐH Quốc gia Hà Nội, tài trợ phủ Thụy Sỹ, đề tài nghiên cứu khảo sát mức độ nhiễm asen kim loại nặng nước ngầm khu vực Hà Nội triển khai Tháng 11 năm 2000, báo cáo mang tính quốc tế trình bày Hội nghị lần thứ 26 WEDC “Water, Sanitation and Hygiene: Challenges of the Millennium” Dhaka, Bangladesh Tháng 12 năm 2000 Hội nghị Quốc tế asen tổ chức Hà Nội Tháng năm 2001 công bố asen khu vực H Ni Lê Thị Kim Oanh Luận văn cao học Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội Khoa Công nghệ hãa häc châu thổ sông Hồng đăng tạp chí quốc tế có uy tín “Environmental Science and Technology” (ES&T) Tháng năm 2002, ĐHKHTN có báo cáo thức báo cáo viện CNMT Thụy Sỹ asen Việt Nam hội nghị Quốc tế lần thứ năm “ Arsenic Exposure and Health Effects” SanDiego, CA, USA nhiều nghiên cứu khác cho thấy có nhiễm asen nước ngầm khu vực Hà Nội Như vậy, tượng nước ngầm Hà Nội (thuộc đồng châu thổ sông Hồng) nhiều nơi bị nhiễm asen khẳng định Vấn đề cần giải tìm giải pháp loại bỏ chất độc hại khỏi nước ăn uống sinh họat nhằm kịp thời bảo vệ sc kho cng ng Lê Thị Kim Oanh Luận văn cao häc Article I Phần I-tổng quan Article II Chương 1-GiỚI thiệu chung ASEN Section 2.011.1 Asen tự nhiên Asen nguyên tố có nồng độ thấp địa Hàm lượng As đá 1,7.10-4% đất 5.10-4% Asen với sắt (Fe) lưu huỳnh (S) có mặt khoáng vật asenopyrit (FeAsS), Realga (AsS), Oripimen (As2 O3), Tenatit (Cu3 AsS 3), Enagrit (Cu 3AsS4), Skorodit (FeAsO4.2H2 O) Trong đại đa số trường hợp, người ta hay gặp asen với hàm lượng cao loại quặng sunfua đa kim, mỏ antimon, coban, molypđen, đồng, chì kẽm Asen cịn có mặt mỏ than, than bùn (do có chứa asenopyrit), sét có giàu hợp chất hữu cơ, trầm tích có nguồn gốc đầm hồ Ngồi ra, asen giải phóng mơi trường hoạt động người, nước thải, chất thải nhà máy, xí nghiệp Việc sử dụng lượng lớn chất diệt cỏ, thuốc trừ sâu làm nhiễm asen môi trường Việt Nam, chưa có nhiều nghiên cứu tỷ mỷ địa chất asen, theo số tác giả thấy số dị thường asen vùng Đầm Hồng (tỉnh Tuyên Quang) vùng Bản Phúng (tỉnh Sơn La) vùng Đầm Hồng có mỏ vàng-antimon với thành phần khoáng vật quặng chủ yếu Antimon, asenopyrit, pyrite Galenit Hàm lượng asen đất vùng lên tới 0,003 ữ 1%, bùn ao, hồ từ 0,01 ữ 0,3% nước khoảng 30 ữ 140 mg/l Nền địa chất Bản Phúng trầm tích hệ tầng sơng Mã người ta tìm thấy có khống vật chứa asen asenopyrit, Glaucodot, Colingit, Grexdorfit Trong đá gốc đới phong hố có hàm lượng asen lớn nhiều lần giá trị trung bình đá: + Hàm lượng asen trung bình đá từ 72,4.10-4 % cao 7.10-2 % +Trong đới phong hoá màu nâu đỏ hàm lượng asen trung bình 67,7.104% hàm lượng lớn gặp 3.10 -2 % + Hàm lượng asen nước số nguồn hồ, suối khu vực cao cách bất thường l 0,431,14 mg/l Lê Thị Kim Oanh Luận văn cao häc 1.2 Độc tính asen [3, 17] Từ hàng ngàn năm nay, asen coi chất độc Asen xâm nhập vào thể người qua đường thực phẩm, nước uống, tích luỹ dần gây q trình nhiễm độc từ từ Các triệu chứng bệnh lý nhiễm độc asen xuất sau nhiễm từ đến 20 năm tuỳ thuộc vào mức độ nhiễm độc, vào sức đề kháng thể người vào vấn đề dinh dưỡng Lúc đầu bệnh lý biểu dạng chấm đen da sau gây ung thư da, gan thận Khả gây ung thư hợp chất asen lần phát từ sớm (1887) Hutchinson ông quan sát thấy biểu bất thường bệnh nhân bị tổn thương da xử lý asen Vào năm 1980 quan quốc tế nghiên cứu ung thư (IARC) xác định hợp chất asen vô tác nhân gây ung thư da phổi người Từ đến có nhiều nghiên cứu ung thư nhiễm độc asen nước sinh hoạt cơng bố Hầu hết cơng trình nghiên cứu mối liên quan rõ rệt số ung thư nội tạng với nhiễm độc asen nồng độ cỡ vài trăm microgram/l nước uống Ngay người uống nước có hàm lượng asen (cỡ 100mg/l) thời gian dài gây bệnh thần kinh Cơ chế biến đổi sinh học asen thể người phức tạp Sự hấp thụ đào thải hợp chất asen tuỳ thuộc nhiều loại hợp chất vào đặc điểm cá thể Sau số nghiên cứu người ta tới kết luận trẻ em nhạy cảm nhiều so với người lớn bị nhiễm độc asen vơ qua đường tiêu hố Nhìn chung dạng xâm nhập asen vào thể chủ yếu asen vơ mà qua đường ăn, uống sản phẩm tiết chủ yếu axit dimethyl asenic monomethyl asenic Asen vô nguyên nhân phá huỷ mô hệ hô hấp, gan thận Nó tác động lên enzym hoạt động đảm bảo cho q trình hơ hấp Nhiều năm trước người ta nhận thấy asen vô ức chế enzyme hoạt động phản ứng với nhóm sunfuahydryl protein As(III) nồng độ cao làm đông tụ prôtein, can thiệp vào số q trình sinh hố photpho làm rối loạn trình phát triển sinh học Nhiều enzyme chứa nhóm bị tác động asenit theo sơ sau: Lê Thị Kim Oanh Luận văn cao học SH Enzym S + AsO33 Enzym SH As- + 2OH - S Có khuynh hướng cho asen vơ trạng thái hố trị [As(III)] có độc tính cao asen hố trị [As(V)] ý tưởng rút từ số kết thực nghiệm, đưa dạng asen khác vào thể động vật Tuy nhiên chưa có số liệu so sánh cụ thể nhiễm độc động vật sau thời gian đủ dài nên khẳng định chắn As(V) độc As(III) Ngay thể động vật, asen vơ hố trị V bị khử thành asen vơ hố trị III Như vậy, xét đến tính độc ta khơng cần phải phân biệt asen nước nằm dạng As(III) hay As(V) mà cần quan tâm tới tổng lượng asen vô mà Tuy nhiên tính chất hố học As(III) As(V) mơi trường nước có khác nên để làm nước sinh hoạt ta cần phải phân biệt chúng nhằm đưa cơng nghệ thích hợp hiệu Thật khơng may nước nhiễm asen khơng có màu, không mùi, không vị nên phát phương pháp cảm quan Hiện chưa có phương pháp y học cho phép chữa trị có hiệu bệnh gây nhiễm độc asen Tình hình kiểm sốt tốt người dân khơng tiếp tục ăn nước có nhiễm asen tượng nhiễm độc chưa phát triển tới mức xuất bệnh lý Theo khuyến cáo tổ chức y tế giới (WHO), nồng độ asen nước sinh hoạt nên mức ≤ 0,01mg/l tiêu chuẩn Việt Nam thời 0.05 mg/l Section 2.02 1.3 Tính chất lý hố asen [1, 2] Cũng giống phốt pho, asen tồn vài dạng thù hình Asen kim loại asen xám bền điều kiện thường đun nóng Nhìn bề ngồi thấy chúng giống chất có cấu tạo tinh thể, giịn có ánh kim vết vừa vỡ Tỷ trọng asen xám 5,72 g/cm3 Khi đốt nóng áp suất thường chúng thăng hoa Khác với dạng thù hình khác, asen xám có tính dẫn in nh kim loi Lê Thị Kim Oanh Luận văn cao học Asen khụng ho tan nc, khơng khí nhiệt độ thường bị oxy hố chậm, cịn bị đốt nóng mạnh bị cháy tạo thành ôxit As 2O3 màu trắng có mùi tỏi đặc trưng nhiệt độ cao asen có khả tác dụng với nhiều nguyên tố Trong hợp chất, asen thường có số oxy hố -3, +3 +5 Asen tự hợp chất độc Một số hợp chất quan trọng asen : - Asen hydrua hay asin AsH3 : Đây chất khí khơng màu, độc có mùi tỏi đặc trưng tan nước Asin tạo thành khử tất hợp chất vơ asen hydro sinh Ví dụ: As2 O3 + Zn + H 2SO4 = AsH3  + ZnSO4 + H2 Asin tương đối bền, đốt nóng dễ dàng bị phân huỷ thành hydro asen tự Tính chất asin sử dụng để phát asen hợp chất khác Trong hợp chất cần phân tích, tác dụng chất khử, hợp chất asen asen tự bị chuyển thành asin AsH3 Sau sản phẩm q trình khử đốt nóng, asin bị phân huỷ, asen giải phóng tạo thành lớp màng màu đen có ánh kim đặc trưng phần làm lạnh dụng cụ mà người ta hay gọi “gương asen” Asen tạo với số kim loại số hợp chất có tên gọi asenua kiểu Cu3As, Cu3As 2O - Asen(III) oxit As2 O3 Chất tạo thành đốt cháy asen khơng khí nung quặng chứa asen Asen (III) oxit màu trắng hay gọi asen trắng Oxit asen (III) tan nước, 15 o C dung dịch bão hoà chứa khoảng 1,5% As2O3 Khi tan nước Asen (III) oxit tác dụng với dung mơi tạo thành Asen (III) hydroxit hay cịn gọi axit asenơ As 2O3 + H2O = As(OH) asen (III) hydroxit chất lưỡng tính, tính axit trội - Axit orthoasenơ H 3AsO3: Lê Thị Kim Oanh Luận văn cao học