Tiểu luận: Xử lý nước thiên nhiên nhiễm Arsenic doc

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 2NỘI DUNG TRÌNH BÀY TỔNG QUAN VỀ ARSENIC 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AS TRONG NƯỚC THIÊN NHIÊN 3... Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 151.4 Tác hại của As tt 1.

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 1

LOGO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA MÔI TRƯỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA MÔI TRƯỜNG

Môn học: KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC THIÊN NHIÊN

ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN:

XỬ LÝ NƯỚC THIÊN NHIÊN

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 2

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

TỔNG QUAN VỀ ARSENIC

1

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AS TRONG NƯỚC THIÊN NHIÊN

3

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 3

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 4

1.1Giới thiệu về nguyên tố As.

 Arsenic (As) là một nguyên tố có trong tự nhiên và ở

trên bề mặt của vỏ trái đất

chiếm khoảng 1 đến 2 mg Asen/kg

 Là một kim loại nặng As tinh khiết có màu xám và ở

dạng tinh thể rắn.

 Số thứ tự 33 trong bảng HTTH.

 M = 74.92159 g/mol; d = 5.73 g/cm3

 Hầu hết các hợp chất As vô cơ và hữu cơ đều là bột màu

trắng hoặc không màu, không bay hơi, không có vị đặc biệt Vì

vậy rất khó nói rằng trong thực phẩm, nước, không khí có hay

không sự hiện diện của As

 Nhiều hợp chất As có thể hoà tan trong nước, dễ bị hút bám

bởi sắt và mangan, phản ứng với đất sét Điều này giải thích

tại sao As được tìm thấy trong các lớp trầm tích (cặn)

 Arsenic được sử dụng làm thuỷ tinh, chất bán dẫn, thuốc trị

bệnh, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm.

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 5

1.2 Tính chất của As.

 1.2.1Tính chất vật lý

Có tính chất gần với các kim loại, nó có bốn dạng thù hình: dạng kim loại, vàng, xám và nâu Asen thường gặp ở dạng kim loại có màu sáng bạc Cấu trúc tinh thể gần giống Photpho đen, khi gặp lạnh nó ngưng thành tinh thể, hơi Asen có mùi tỏi rất độc Asen còn là một chất bán dẫn, dễ nghiền thành bột, người ta có thể tạo hợp chất bán dẫn của asen như GaAs, có tính chất bán dẫn như silic và gecmani

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 6

AsH3 + 4I2 + 4H2 O → H3AsO4 +8HI

- Phản ứng với nước, dung dịch

acid, dung dịch kiềm

AsCl3 + 3 H2O → 2 H3AsO3 + 3HCl CuHAsO3 + NaOH → CuNaAsO3 + H2O 2AsH3 + 6H2SO4 → 6SO 2 + As2O3 + 9H2O

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 7

1.2 Tính chất của As (tt).

 1.2.3 Các hợp chất của As

As tinh khiết trong tự nhiên rất ít, ta thường thấy nó ở dạng kết hợp với một hay nhiều nguyên tố khác:

 Với O2, Cl, S tạo thành hợp chất arsenic vô cơ bao gồm As3+ và As5+

Được tìm thấy trong nhiều loại đá, đặt biệt trong quặng chứa đồng hoặc than chì Khi quặng được đun nóng để tách đồng hoặc tach chì thì hầu hết Arsenic thoát vào không khí dưới dạng bụi mịn hoặc thu lại bụi Arsenic này và tinh chế thành Arsenic

để sử dụng cho các mụch đích khác (bảo quản gỗ: CCA (Chromated copperarsenic); thuốc diệt cỏ, côn trùng:Arsar, Scorch và premix ) Hiện diện trong thực phẩm, thức

ăn gia súc, thuốc lá

 Với C,H tạo thành hợp chất Arsenic hữu cơ.

Hiện diện trong đất với nồng độ 0.1 - 40ppm và trong thuỷ sản như tôm hùm ở nồng

độ 25 - 80ppm Tồn tại chủ yếu trong cơ thể động thực vật.

Hai hợp chất hữu cơ không độc, đượ ctìm thấy nhiều nhất trong thực phẩm của

người là: Arsenobetaine và arsenocholine Khi hai hợp chất này vào cơ thể thì nó

sẽ được loại thải qua nước tiểu

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 8

1.2 Tính chất của As (tt).

 Các hợp chất của As (tt)

Tên Viết tắt Công thức hóa học

Arsanilic acid C6H8AsNO3

Arsenite acid As(III) H3AsO3

Arsenate acid As(V) H3AsO4

Monomethylarsonous acid MMAA CH 3AsO(OH)2

Methylarsonous acid MMAA(III) CH3As(OH)2(CH3AsO)n

Dimethylarsinic acid DMAA (CH3)2AsO(OH)

Dimethylarinuos acid DMAA(III) (CH3)2AsOH[((CH3)2As)2O]

Trimethylarsine TMA (CH3)3As

Trimethylarsine oxide TMAO (CH3)3AsO

Tetramethlarsonium ion Me4As+ (CH3)4As+

Arsenocholine AsC (CH3)As+CH2CH2OH

Arsenobetaine AsB (CH3)3As+CH2COO

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 9

1.3 Nguồn gốc ô nhiễm As trong

nước thiên nhiên.

trầm tích thường là nguồn cấp As cho nước ngầm như đối với vùng Hà Nội

và vùng tây Bengac

Ngoài ra vi khuẩn là thủ phạm làm tăng mức asen trong nước John

Lloyd, nhà vi sinh vật thuộc ĐH Manchester (Anh)

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 10

1.3 Nguồn gốc ơ nhiễm As trong

nước thiên nhiên (tt).

1.3.2 Trong tự nhiên (tt): Hàm lượng As phân bố trong tự nhiên (%)

Sa thạch và đá vơi <1-200

As Phát th i (10 ải (10 6 kg/năm)

Phát biểu toàn cầu (theo Galloway, Freedmas,1982 )

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 11

1.3 Nguồn gốc ô nhiễm As trong nước

thiên nhiên (tt).

1.3.2 Nhân tạo:

Hoạt động con người cũng thúc đẩy sự phân tán As Khai thác, chế biến, vận chuyển quặng chứa As phân tán As với khối lượng lớn As được dùng rộng rãi trong thuốc bảo quản gỗ, thuốc nhuộm, duợc phẩm, luyện kim, công nghiệp bán dẫn, nhân quang điện, thuốc trừ sâu, diệt

cỏ và chất độc hoá học

Bảng thống kê hàm lượng hóa chất thải bỏ có chứa As

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 12

1.3 Nguồn gốc ô nhiễm As trong nước

thiên nhiên (tt).

As từ môi trường xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu qua chuỗi thức ăn và nước uống như hình bên cạnh.

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 13

1.4 Tác hại của As

1.4.1 Tác động của As:

Hợp chất ôxit của Asen hóa trị III (As2O3) Ôxit này màu trắng, dạng bột, tan được trong nước, rất độc Khi uống phải một lượng thạch tín bằng nửa hạt bắp, người ta có thể chết ngay tức khắc, là một chất rất độc, độc gấp 4 lần thủy ngân

Asen tác động xấu đến hệ tuần hoàn, hệ thần kinh Nếu bị nhiễm độc Asen một cách từ từ, mỗi ngày một ít, tùy theo mức độ bị nhiễm và thể trạng mỗi người, có thể xuất hiện nhiều bệnh như: rụng tóc, buồn nôn, sút cân, ung thư, giảm trí nhớ Asen làm thay đổi cân bằng hệ thống enzim của cơ thể, nên tác hại của nó đối với phụ nữ và trẻ em là lớn nhất

As có khả năng ung thư với hàm lượng (% trọng lượng) As trong cơ thể

người :1,8.10-5 Theo tổ chức y tế thế giới 0,05mg/l nước có hàm lượng

Asen < 0,1 mg/l thì không có khả năng tăng nguy cơ nhiễm ung thư)

Tiêu chuẩn As trong máu cho phép theo qui định:Theo bảng tiêu chuẩn,

nồng độ gây độc cho cơ thể là 2mcrg/lít máu; nếu xét nghiệm nước tiểu thì nồng độ gây độc là 50mcrg/lít nước tiểu…

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 14

1.4 Tác hại của As (tt)

1.4.1 Tác động của As (tt):

Một số biểu hiện của các loại bệnh do nhiễm độc As

Nhiễm Asen mãn tính cao gấp 3 lần so với người nghiện thuốc lá nặng

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 15

1.4 Tác hại của As (tt)

1.4.2 Cơ chế gây độc của As:

- Làm cản trở hoạt động của Enzyme

- Các enzyme sản sinh năng lượng của tế bào trong chu trình của axit nitric bị ảnh hưởng rất lớn Bởi vì các enzyme bị ức chế do việc tạo phức với As (III), dẫn đến thuộc tính sản sinh ra các phần tử của ATP bị ngăn cản

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 16

1.4 Tác hại của As (tt)

1.4.2 Cơ chế gây độc của As (tt):

As có ba tác dụng hóa sinh là: làm đông tụ protein, tạo phức với coenzyme và phá hủy quá trình photpho hóa Các chất chống độc As là các hóa chất có

nhóm –SH hoạt động mạnh hơn ở enzyme, có khả năng tạo liên kết với As(III)

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 17

1.5 Tiêu chuẩn và phương pháp xác

định As

1.5.1 Tiêu chuẩn áp dụng:

- Theo TCVN 5502:2003 cho nước cấp sinh hoạt hàm lượng As trong

nước là 0,01 mg/l hay 10 ppb (phụ lục TCVN 5502:2003) (cho As2O3; As2O5)

- Theo WHO (Guidelines for Drinking water Quality) tiêu chuẩn As trong

nước sinh hoạt là 0,01 mg/l (10ppb)

- Liên Xô là 0,01mg/m3

- USEPA và cộng đồng châu Âu cũng đã đề xuất hướng tới đạt tiêu chuẩn arsen trong nước cấp uống trực tiếp là 2-20 g/l

- Mỹ áp dụng trị số giới hạn ngưỡng (TLV) do hội nghị các nhà

vệ sinh công nghiệp chính phủ Mỹ (ACGIH) đưa ra đối với asen

TLV (ACGIH 1969) : 0,5 mg/m3 TLV(ACGIH 1989-1990) : 0,2mg/m3

TLV(ACGIH 1998) : 0,01mg/m3

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 18

1.5 Tiêu chuẩn và phương pháp xác

định As

1.5.2 Phương pháp xác định:

a Phương pháp phân tích cổ điển

- Phương pháp phân tích khối lượng

- Phương pháp phân tích thể tích

b Phương pháp phân tích công cụ

- Phương pháp phân tích trắc quang

- Phương pháp điện hóa

- Phương pháp huỳnh quang nguyên tử

- Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 19

2.CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ARSENIC

TRONG NƯỚC THIÊN NHIÊN

Phương pháp keo tụ - kết tủa

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 20

2.1 KEO TỤ - KẾT TỦA

2.1.1 Cơ chế:

Phương pháp này dựa trên cơ chế chuyển hóa các hợp chất As (III) lên

As (V) (oxy hóa) keo tụ và lắng xuống khi bị các hợp chất keo tụ (muối sắt, muối nhôm, hydroxyt sắt, hydroxyt nhôm,…) hấp phụ và lắng xuống đáy bể, hay hấp phụ và bị giữ lại trên bề mặt hạt cát trên bể lọc Phương pháp này cho phép loại bỏ 50 - 80% Asen có trong nước ngầm mạch sâu (nghiên cứu

xử lý tại khu vực Hà Nội) Khi cho các chất keo tụ như muối nhôm, muối sắt vào nước, chúng sẽ bị thủy phân tạo ra các hydroxyt hấp phụ các hợp chất

As và lắng xuống

Ngoài ra người ta còn dùng muối sắt, nhôm để kết tủa các hợp chất As

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 21

2.1 KEO TỤ - KẾT TỦA (tt)

2.1.2 Hoạt động:

Các bước tiến hành keo tụ các chất trong nước theo quy trình sau:

Đầu tiên là giai đoạn hóa chấ keo tụ được tiếp xúc và pha trộn với nước Kế

đó các chất keo tụ bị thủy phân, làm hệ keo mất tính ổn định và bắt đầu hình thành bông căn

Phương pháp keo tụ đơn giản nhất là sử dụng vôi sống (CaO) hoặc vôi tôi (Ca(OH)2 (ở pH=10,5) để kết tủa hợp chất Arsen Nồng độ Asen ban đầu khoảng 50µg/l Hiệu suất đạt khoảng 40 - 70 % Nhược điểm của phương pháp này là tạo ra lượng cặn lớn

Ca2+ + HAsO42-  CaAsO4+ H+

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ là pH, nồng độ chất keo tụ, thời gian tiếp xúc với chất keo tụ,…

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 22

2.1 KEO TỤ - KẾT TỦA (tt)

2.1.2 Hoạt động (tt):

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 23

2.2 OXY HÓA

2.2.1 Cơ chế:

Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh (Chlorine,Permaganate, ozone, oxy, Fenton, điện hóa, quang hóa, song âm, nước siêu tới hạn,…) để chuyển hóa As (III) thành As(V), sau đó sự dụng phương pháp keo tụ, kết tủa, hấp phụ để loại bỏ nó ra khỏi nước

S OCl

HS

H Cl

MnO O

H OCl

Mn

H Cl

OH Fe

O H OCl

Fe

Cl H

AsO H

OCl AsO

H

2

4 )

( 2 5

2

2 2

2

3 2

2

4 2

3 3

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 24

2.2 OXY HÓA (tt)

2.2.2 Hoạt động (tt):

b Oxy hóa bằng permaganate Oxy hóa bằng permaganate

O H MnO

S H

MnO HS

H MnO

O H MnO

Mn

H MnO

OH Fe

O H MnO

Fe

O H MnO

H AsO

H MnO

AsO H

2 2

4

2 2

4 2

2 3

2 4

2

2 2

4 2

4 3

3

4 2

3 5

2 3

4 5

2 2

3

5 )

( 7

3

2 3

2 3

S H

O HS

O H

MnO O

H O

Mn

H O

OH Fe

O H O

Fe

O H

AsO H

O AsO

H

2 2

3

2 2

2 3

2

2 3

2 3

2

2 4

2 3

3 3

2

4)

(2

52

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 25

2.2 OXY HÓA (tt)

2.2.2 Hoạt động (tt):

d Oxy hóa bằng oxy Oxy hóa bằng oxy

e Oxy hóa bằng Fenton Oxy hóa bằng Fenton

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 26

2.2 OXY HÓA (tt)

2.2.2 Hoạt động (tt):

f Oxy hóa bằng quang hóa Oxy hóa bằng quang hóa

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 27

2.3 LỌC MÀNG

2.3.1 Cơ chế:

Asen được loại bỏ khỏi nước trong bể lọc cát là nhờ sự đồng kết tủa với Fe(III) trên bề mặt của các hạt cát và không gian giữa các lỗ rỗng trong lớp cát Fe(II) ở dạng hòa tan trong nước, sẽ bị oxi hóa bởi oxi của không khí để tạo thành Fe(III) Hydroxyt Fe(III) sẽ được hấp phụ trên bề mặt các hạt cát và tạo thành một lớp hấp phụ mỏng Arsen (V) và Arsen(III) trong nước sẽ hấp phụ vào lớp Fe(OH)3 đó

và bị giữ lại ở lớp vật liệu lọc Kết quả, nước ra khỏi bể lọc đã được giải phóng khỏi sắt và Arsen

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 28

2.3 LỌC MÀNG (tt)

2.3.2 Hoạt động:

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 29

10 và phải có giai đoạn ổn định hoá nước trước khi sử dụng

Ca2+ + AsO43- → Ca3(AsO4)2Ca2+ + AsO33- → Ca3(AsO3)2

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 30

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 31

2.5 HẤP PHỤ (tt)

2.5.2 Hoạt động (tt)

b Hấp phụ bằng Laterite (đất axit có màu đỏ),

- Thành phần chủ yếu là Hydroxyt Sắt và Nhôm, hoặc các oxyt ngậm nước (là những chất có khả năng hấp phụ cao), và một lượng nhỏ các hợp chất của Mangan, Titan

- Ở điều kiện tự nhiên, loại đất sét này có điện tích bề mặt dương,

có khả năng hấp phụ các chất bẩn mang điện tích âm như Arsenic

- Có thể đưa laterite trực tiếp vào nước cần xử lý như chất hấp phụ, sau đó để lắng, hoặc có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ trong bể lọc

c Hấp phụ bằng sắt (III) phosphate

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 32

FeSO4, Al2SO4)3 Kết quả cho thấy FeCl3 cho phép đạt hiệu suất khử

Arsen cao nhất , hơn 90 %

e Hấp phụ bằng hydroxyt sắt

Fe2+ + 2H2O + O2 → Fe3+ + 2Fe3+ + 6OH- → 2Fe(OH)3 ( = Fe2O3.3H2O)Fe(OH)3 + H3AsO4 → FeAsO4.2H2O + H2O

OH-Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 33

2.5 HẤP PHỤ (tt)

2.5.2 Hoạt động (tt)

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 34

2.6 TRAO ĐỔI ION

2.6.1 Cơ chế:

Có thể loại bỏ các ion Asenate (As (V)) trong nước bằng phương pháp

trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-) hoặc anion bazơ mạnh (OH-) Loại vật liệu trao đổi ion này có ưu điểm là có thể sử dụng

dung dịch muối đậm đặc NaCl hoặc NaOH để hoàn nguyên hạt trao đổi ion

đã bão hòa Arsen Nồng độ Arsen sau xử lý có thể hạ thấp tới dưới 2 ppb Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tương đối phức tạp, ít có khả năng áp

dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

trao đổi ion khử As như: pH, các ion cạnh tranh, các loại chất trao đổi

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 35

2.6 TRAO ĐỔI ION (tt)

2.5.2 Hoạt động:

R- Cl + H2AsO4- → R-H2AsO4 + 2R- Cl + HAsO42- → R2-HAsO4 + 2Cl- R- OH + H2AsO4- → R-H2AsO4 + OH- 2R- OH + HAsO42- → R2-HAsO4 + 2OH-

Cl-Để hoàn nguyên hạt nhựa anions, người ta cho dung dịch muối đậm đặc hoặc HCl:

R-H2AsO4 + Cl- → R-Cl + H2AsO4- R2-HAsO4 + 2 Cl- → 2 R-Cl + HAsO42- Dùng sút để hoàn nguyên nhựa có gốc là OH-

R-H2AsO4 + OH- → R-OH + R2-HAsO4 + 2 OH- → 2 R-OH + HAsO42-

H2AsO4-Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 36

2.7 PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

2.7.1 Cơ chế:

Việc loại bỏ Asen được tiến hành cùng với việc loại bỏ sắt bằng sinh học Việc loại bỏ

Được tiến hành bằng cách cho nước nhiễm sắt và Asen đi qua vật liệu lọc

có dòng hướng từ dưới lên có chứa vi sinh (lọc sinh học) Vật liệu lọc ở

đây là nhựa Vi khuẩn sau 3 tháng thì tích lũy thành màng trong cột

lọc.Tiến trình oxy hóa diễn ra đồng thời với việc lớp màng sinh học ngày

càng dày lên Việc hình thành màng làm tăng khả năng xử lý các hợp chất chưa sắt

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 37

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 38

4 XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM

TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

Hiện trạng ô nhiễm

4.1

Cách xử lý

4.2

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 39

4.1 HIỆN TRẠNG NHIỄM ASEN TRONG NƯỚC

NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

“Ngộ độc thạch tín là một vấn đề toàn cầu Nó hiện diện ở 70 quốc gia và có thể hơn," Peter Ravenscroft, một nhà địa lý học thuộc ĐH Cambridge, nói.Ông này nói thêm rằng, nếu áp dụng những tiêu chuẩn nước sinh hoạt của Châu Âu và Bắc Mỹ, người ta sẽ dễ dàng nhận thấy khoảng 140 triệu người trên khắp toàn cầu đang nằm trong tình trạng báo động

Tại đồng bằng châu thổ sông Hồng và sông Mekong, nồng độ asen vượt quá 100 µg/L ở một trong số 5 mẫu nước phân tích với giá trị tối đa là

3000 µg/L Vùng đồng băng châu thổ Irrawaddy (Myanmar) có nồng độ asen vượt quá 50 µg/L ở 2/3 mẫu nước giếng được phân tích (theo một nghiên cứu được tổ chức Unicef tài trợ)

Kỹ thuật xử lý nước thiên nhiên 40

4.1 HIỆN TRẠNG NHIỄM ASEN TRONG NƯỚC NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM (tt)

4.1.1 Trên thế giới(tt):