Vì là quá trình tạo phức trên bề mặt chất rắn nên diện tích bề mặt của chất hấp phụ chỉ đợc sử dụng một phần, tại các trung tâm hoạt động có khả năng tạo liên kết phức chất, vì vậy, nhô
Asen trong tự nhiên
Asen là một nguyên tố phổ biến trong vỏ trái đất, với hàm lượng trung bình khoảng 2 mg/kg Nó có mặt trong các môi trường như đất, đá, nước và không khí dưới dạng vết.
Asen là thành phần của hơn 200 khoáng vật và có mặt trong đất do quá trình phong hoá đá mẹ Nồng độ asen trong các loại đất khác nhau phụ thuộc vào thành phần đá mẹ, thời tiết, và các yếu tố vô cơ, hữu cơ cũng như thế oxy hoá khử Trong đất tự nhiên, nồng độ asen khoảng 5mg/kg, cao hơn so với vỏ trái đất, do sự tích tụ từ phong hoá Ngoài ra, asen còn có thể tích tụ qua hoạt động sản xuất của con người, với mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào cường độ hoạt động, khoảng cách đến nguồn phát tán và hình thức phát thải.
Asen tồn tại trong tự nhiên dưới dạng các hợp chất khác nhau, chủ yếu là As(III) và As(V) trong nước Hợp chất asen hữu cơ chỉ chiếm một lượng nhỏ và thường xuất hiện trong nước mặt hoặc các khu vực bị ô nhiễm công nghiệp Độc tính của các dạng asen giảm dần theo thứ tự asenit > asenat > monomethylasonat > dimethylasinat, trong đó As(III) độc gấp 60 lần As(V), và các hợp chất asen vô cơ độc hại gấp 100 lần so với các hợp chất asen hữu cơ.
1.2 ô nhiễm asen trong nớc ngầm
Nước sạch đang trở thành một vấn đề ngày càng nghiêm trọng trong cuộc sống hiện đại Sự phát triển kinh tế mạnh mẽ không chỉ làm tăng nguy cơ ô nhiễm nguồn nước mà còn đe dọa đến sự cạn kiệt của các nguồn nước quý giá.
Nước phục vụ cho hoạt động của con người chủ yếu từ hai nguồn: nước ngầm và nước mặt Hai nguồn này có mối liên hệ chặt chẽ, mỗi nguồn sở hữu những đặc điểm riêng biệt và có ưu nhược điểm tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
Nước trên bề mặt Trái đất, bao gồm nước chảy và nước lặng, được gọi là nước mặt, có nguồn gốc từ nước ngầm và sự thải nước từ các tầng nước áp suất cao Chất lượng nước mặt bị ảnh hưởng bởi quá trình chảy tới nguồn và thời gian lưu giữ tại nguồn, cũng như các yếu tố khí hậu, địa lý và hoạt động sản xuất của con người Nước chảy vào sông mang tính động, phụ thuộc vào lưu lượng và mùa vụ, trong khi nước trong ao, hồ, đầm thường có thời gian lưu lớn và độ đục thấp, thích hợp cho mục đích sinh hoạt Hai yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước là sự phát triển của thực vật và sự phân tầng nhiệt ở tầng sâu nhất Các tác nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước mặt cần được chú ý để bảo vệ chất lượng nước.
• Chất hữu cơ tự nhiên
• Hoạt động công, nông nghiệp
Trong lòng đất, có hai tầng nước chứa nước ngầm: tầng giới hạn và tầng không giới hạn Tầng không giới hạn chứa nước ngầm chủ yếu từ nước mưa thấm vào, nhưng dễ bị ô nhiễm bởi các tạp chất từ sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp Ngược lại, tầng giới hạn tích tụ nước từ các dòng chảy ngang chậm rãi từ tầng không giới hạn Chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng nước mưa, thời gian tồn tại của nước ngầm, và bản chất của các lớp đất đá Việt Nam sở hữu nguồn nước ngầm phong phú, nhờ vào điều kiện mưa nhiều, có thể được khai thác cho mục đích sinh hoạt.
Khi mức sống của người dân tăng cao, nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt cũng tăng theo, nhưng nhiều nguồn nước hiện nay không đạt tiêu chuẩn Việt Nam đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm asen nghiêm trọng trong nguồn nước ngầm Nhiều nghiên cứu cho thấy hàng trăm nghìn người đang bị phơi nhiễm asen từ nước giếng khoan Sự phân bố asen ở các tỉnh bị nhiễm có sự khác biệt, chủ yếu tập trung tại các tỉnh đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long, với mức ô nhiễm asen ở miền Bắc cao hơn so với miền Nam.
Theo tiêu chuẩn của WHO, hàm lượng asen cho phép trong nước là 10 µg/l, tuy nhiên, nhiều giếng khoan tại phía Nam Hà Nội có mức asen vượt quá giới hạn này nhiều lần Các nghiên cứu về nước giếng ở một số khu vực tại Hà Nội cho thấy có tới 48% số giếng có nồng độ asen lớn hơn 50 µg/l, trong đó 20% giếng có mức độ cao đáng lo ngại.
>150àg/l) Trong những vùng ảnh hởng cao, nớc ngầm có nồng độ asen trung bình là 430 g/l [14].à
Asen có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua nhiều con đường, chủ yếu là qua thực phẩm, và một lượng nhỏ từ nước uống và không khí Nước nhiễm asen vô cơ gây hại nghiêm trọng cho sức khỏe con người, trở thành mối đe dọa lớn đối với sức khỏe cộng đồng Nguy cơ nhiễm độc asen ở nồng độ cao, khoảng từ 70 đến 180mg As2O3, có thể dẫn đến những hậu quả sức khỏe nghiêm trọng.
Asen có thể gây tử vong và sử dụng sản phẩm nhiễm độc asen lâu dài có thể dẫn đến các bệnh như ung thư da, bệnh tim mạch và nhiều bệnh khác Cả As(III) và As(V) đều được hấp thụ mạnh vào cơ thể con người As(III) có xu hướng tích tụ thành chuỗi, trong khi As(V) và các hợp chất hữu cơ của asen nhanh chóng được loại trừ qua thận Trong cơ thể, As(V) được khử thành dạng As(III) độc hại hơn, và As(III) sẽ thay thế phốt phát trong tế bào, làm kìm hãm quá trình trao đổi chất.
1.3 Sự tồn tại của asen trong nớc ngầm
Nước ngầm có nồng độ asen cao thường xuất hiện ở hai môi trường chính: vùng nội địa hoặc gần vịnh trong khu vực khô cằn và trong các tầng ngậm nước dưới điều kiện khử mạnh Cả hai môi trường này đều chứa các cặn asen tích tụ từ dòng chảy Trong điều kiện khử, As(III) chiếm ưu thế, trong khi As(V) chiếm ưu thế trong điều kiện oxi hóa Mức độ asen trong nước ngầm thường rất thấp so với nồng độ kết hợp trong khoáng vật, đặc biệt là với sắt oxit, và hầu hết asen sẽ hình thành các hợp chất hoặc bị hấp phụ bởi các kim loại có mặt.
Asen trong nước ngầm chủ yếu tồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ, với dạng hữu cơ chỉ chiếm một phần nhỏ Các hợp chất vô cơ của asen bao gồm axit asenic H3AsO4 (hoá trị 5) và axit asenơ H3AsO3 (hoá trị 3) Tỷ lệ giữa As(III) và As(V) thay đổi tùy thuộc vào thế oxy hoá khử của nguồn nước; khi thế oxy hoá khử cao, asen chủ yếu ở dạng hoá trị 5 và ngược lại Asen có khả năng biến đổi trong điều kiện oxy hoá và khử khác nhau tại pH điển hình của nước ngầm (pH = 6,5 đến 8,5).
Trong môi trờng nớc, axit asenơ H3AsO3 là một axit yếu phân ly thành nhiều lần và có các dạng ion nh sau:
H3AsO3 → H2 AsO3 - + H + pK1As(III) = 9,2 (1.1)
H2 AsO3 - → HAsO3 2- + H + pK2,As(III) = 12.1 (1.2)
H AsO3 2 - → AsO3 3- + H + pK3,As(III)= 12.9 (1.3)
Axit asenic H3AsO4 cũng là một axit yếu, phân ly theo phơng trình:
HAsO4 2- → AsO4 3- + H + pK3,As(V) = 11.5 (1.6) Phần mol của các dạng As(III) và As(V) thay đổi theo pH trong môi trờng nớc đợc trình bày ở hình 1.1 & 1.2 [22]
Nồng độ As(III) dưới dạng H3AsO3 và H2AsO3 thay đổi theo các giá trị pH khác nhau Khu vực được đánh dấu bằng hình chữ nhật thể hiện khoảng pH phổ biến của hầu hết các nguồn nước ngầm.
Nồng độ As(V) bao gồm các dạng H₃AsO₄, H₂AsO₄⁻, HAsO₄²⁻ và AsO₄³⁻ biến đổi theo giá trị pH Hình 1.1 minh họa sự phân bố của các dạng này ở các mức pH khác nhau, với vùng giới hạn hình chữ nhật thể hiện khoảng pH phổ biến của hầu hết các nguồn nước ngầm.
Sự tồn tại của asen trong nớc ngầm
Nước ngầm có nồng độ asen cao thường xuất hiện ở hai môi trường chính: vùng nội địa hoặc gần vịnh trong khu vực khô cằn và trong các tầng ngậm nước với môi trường khử mạnh Cả hai môi trường này đều chứa cặn asen tích tụ do dòng chảy mang lại Trong điều kiện khử, As(III) chiếm ưu thế, trong khi As(V) chiếm ưu thế trong điều kiện oxi hoá Mức độ asen trong nước ngầm rất thấp so với mức độ kết hợp trong khoáng, đặc biệt là với sắt oxit Sự hiện diện của kim loại làm cho hầu hết asen hình thành các hợp chất hoặc bị hấp phụ bởi chúng.
Trong nước ngầm, asen chủ yếu tồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ, với hợp chất hữu cơ chỉ chiếm một phần nhỏ Hợp chất vô cơ của asen bao gồm axit asenic H3AsO4 (hoá trị 5) và axit asenơ H3AsO3 (hoá trị 3) Tỷ lệ giữa As(III) và As(V) thay đổi tùy thuộc vào thế oxy hoá khử của nguồn nước; khi thế oxy hoá khử cao, asen chủ yếu ở dạng hoá trị 5 và ngược lại Asen có khả năng biến đổi trong nhiều điều kiện oxy hoá và khử, đặc biệt ở pH 6,5 đến 8,5 của nước ngầm.
Trong môi trờng nớc, axit asenơ H3AsO3 là một axit yếu phân ly thành nhiều lần và có các dạng ion nh sau:
H3AsO3 → H2 AsO3 - + H + pK1As(III) = 9,2 (1.1)
H2 AsO3 - → HAsO3 2- + H + pK2,As(III) = 12.1 (1.2)
H AsO3 2 - → AsO3 3- + H + pK3,As(III)= 12.9 (1.3)
Axit asenic H3AsO4 cũng là một axit yếu, phân ly theo phơng trình:
HAsO4 2- → AsO4 3- + H + pK3,As(V) = 11.5 (1.6) Phần mol của các dạng As(III) và As(V) thay đổi theo pH trong môi trờng nớc đợc trình bày ở hình 1.1 & 1.2 [22]
Nồng độ As(III) được thể hiện qua các hợp chất H3AsO3 và H2AsO3 ở các giá trị pH khác nhau Khu vực được giới hạn bởi hình chữ nhật đại diện cho khoảng pH của hầu hết các nguồn nước ngầm.
Nồng độ của As(V) bao gồm H3AsO4, H2AsO4-, HAsO42- và AsO43- thay đổi theo các giá trị pH khác nhau Vùng giới hạn bởi hình chữ nhật trong hình 1.1 biểu thị khoảng pH mà hầu hết các nguồn nước ngầm thường nằm trong đó.
Khả năng hoà tan của các kim loại độc dạng vết thường giảm khi pH tăng, trong khi hầu hết các oxyanion, như asenat (As 5+), lại trở nên dễ hoà tan hơn với pH cao Điều này dẫn đến việc asenic có thể hoà tan ở nồng độ cao gần pH tự nhiên, trong khi nhiều kim loại khác không thể Vì vậy, nước ngầm dễ bị ô nhiễm bởi asen và các oxyanion khác.
Để loại bỏ asen trong nước, có nhiều phương pháp như kết tủa, trao đổi ion, oxy hoá và hấp phụ Việc lựa chọn phương pháp phù hợp với từng nguồn nước nhằm đạt được chất lượng nước tốt nhất và hiệu quả xử lý cao nhất là rất quan trọng Phương pháp trao đổi ion có hạn chế do sự cạnh tranh từ các anion khác trong nước ngầm Trong khi đó, phương pháp hấp phụ và kết tủa hoá học được đánh giá là những biện pháp xử lý hiệu quả cả về kinh tế lẫn kỹ thuật.
Phơng pháp trao đổi ion
Trao đổi ion là phương pháp hóa lý phổ biến trong xử lý nước, dựa trên nguyên lý trao đổi ion giữa dung dịch chứa asen và nhựa trao đổi ion Phương pháp này hiệu quả khi nguồn nước ngầm có độ khoáng thấp (