Nghiên cứu xác định hàm lượng As trong nước ngầm và xử lý bằng vật liệu Hydroxit sắt dạng hạt biến tính

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TỐNG DUY NINH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG As TRONG NƢỚC NGẦM VÀ XỬ LÍ BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT SẮT DẠNG HẠT BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Thái Nguyên - 2013 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TỐNG DUY NINH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG As TRONG NƢỚC NGẦM VÀ XỬ LÍ BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT SẮT DẠNG HẠT BIẾN TÍNH Chuyên ngành: Hoá phân tích Mã số: 60.44.0118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Đào Văn Bảy Thái Nguyên - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, trước hết em xin chân thành cảm ơn sự dạy dỗ nhiệt tình của các thầy cô giáo trong suốt thời gian em học tập và nghiên cứu tại trường ĐHSP Thái Nguyên. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn TS. Đào Văn Bảy đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và chu đáo trong quá trình thực hiện và hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này. Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng chắc chắn rằng, những hạn chế và thiếu sót trong Luận văn là không tránh khỏi. Vì vậy, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để Luận văn được hoàn thiện hơn. Thái Nguyên, ngày 14 tháng 04 năm 2013 Tác giả Tống Duy Ninh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục i Danh mục các bảng ii Danh mục các hình và đồ thị iii MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 3 1.1. Nguồn gốc ô nhiễm và các dạng tồn tại của ASEN trong nước 3 1.1.1. Trạng thái tự nhiên và nguồn gốc ô nhiễm As 3 1.1.2. Các dạng tồn tại của As trong nước 4 1.2. Độc tính của asen 4 1.2.1. Tác động sinh hóa 4 1.2.2. Nhiễm độc cấp tính 5 1.2.3. Nhiễm độc mãn tính 6 1.3. Tính chất hóa học của asen 10 1.3.1. Tính chất vật lý 10 1.3.2. Tính chất hóa học 10 1.3.3. Phản ứng phát hiện asen 12 1.4. Hiện trạng ô nhiễm asen ở Việt Nam 16 1.5. Phương pháp xác định hàm lượng ASEN 17 1.5.1. Phương pháp trắc quang 17 1.5.3. Các phương pháp xác định có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG) 18 1.5.4. Xác định As tổ ng bằng phương pháp HVG – AAS 19 1.6. Các phương pháp xử lý ASEN 20 1.6.1. Phương pháp đồng kết tủa 20 1.6.2. Phương pháp hấp phụ 21 1.6.3. Phương pháp sắc kí trao đổi ion 21 1.7. Vật liệu hydroxit sắ t dạ ng hạ t 21 1.7.1. Đc đim của vật liệu hydroxit sắ t dạ ng hạ t 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.7.2. Cơ chế củ a quá trình xử lý As bằ ng hydroxit sắ t dạ ng hạ t 23 1.7.3. Ưu - nhượ c điể m củ a phương phá p 23 1.7.4. Tổng hợp vật liệu 25 1.8. Mộ t số khá i niệ m trong thông kê số liệ u thự c nghiệ m 26 1.8.1. Khoảng tuyến tính và đường chuẩn 26 1.8.2. Đánh giá độ tin cây của đường chuẩn 26 1.8.3. Giới hạn phát hiện (LOD) 27 1.8.4. Giới hạn định lượng (LOQ) 28 Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM 30 2.1. Hóa chất và dụng cụ 30 2.1.1. Hóa chất 30 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị 32 2.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 32 2.2.1. Cơ sở củ a phương pháp nghiên cứu 32 2.2.2. Phương phá p phân tí ch 33 2.2.3. Khảo sát các điu kiện tối ưu 33 2.3. Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp 36 2.3.1. Khảo sát khoảng tuyến tính 36 2.3.2. Xây dựng đường chuẩn xác đinh As 36 2.3.3. Đá nh giá độ tin cậ y củ a đườ ng chuẩ n (độ chệ ch) 37 2.3.4. Xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng 37 2.4. Phân tí ch mẫ u thự c 38 2. 5. Vật liệu hydroxit sắ t dạ ng hạ t biến tính 41 2.5.1. Quy trình tổ ng hợ p vậ t liệ u 41 2.5.2. Nghiên cứ u khả năng hấ p phụ củ a vậ t liệ u bằ ng phương phá p giá n đoạ n 42 Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 3.1. Khảo sát các điu kiện tối ưu 45 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của KI/ascobic đế n quá trình khử As (V) thành As (III) 45 3.1.2. Ảnh hưởng của axit tới quá trình khử As(III) thành asin 45 3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ NaBH 4 tới khả năng khử As(III) thành asin 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2. Khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn xác định asen 48 3.2.1. Khảo sát khoảng tuyến tính 48 3.2.2. Xây dựng đường chuẩn xác đinh As 48 3.2.3. Thự c nghiệ m đá nh giá độ tin cậ y củ a đườ ng chuẩ n (độ chệ ch): 50 3.2.4. Xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng 51 3.4. Xử lý asen bằ ng vậ t liệ u hydroxit sắ t dạ ng hạ t biến tính 54 3.4.1. Ảnh hưởng của t lệ mol Si/Fe đế n độ bề n và khả năng hấ p phụ củ a vậ t liệ u 54 3.4.2. Ảnh hưởng của thời gian lắng tới độ bn vật liệu 55 3.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 56 3.4.4. Xử lý asen bằ ng vậ t liệ u hydroxit sắ t dạ ng hạ t biế n tính 58 KẾ T LUẬ N 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường 4 Bảng 1.2. Đc đim vật lý và hoá học của vật liệu hydroxit sắt dạng hạt 22 Bảng 2.1. Các phương án tổng hợp vật liệu hydroxit dạng hạt 25 Bảng 2.2. Khu vự c lấ y mẫ u và kí hiệ u mã hó a mẫ u 38 Bảng 2.3. Các thông số cho quá trình tổng hợp vật liệu hydroxit dạng hạt 41 Bảng 3.1. Khả năng khử các dạng asen thành As(III) của hệ KI/Ascobic 45 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ H+ tớ i độ hấ p thụ quang củ a As 45 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của bản chất axit đến độ hấp thụ quang của As(III) 46 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4 tới độ hấp thụ quang của dung dịch As(III) 47 Bảng 3.5. Độ hấp thụ quang và nồng độ asen ở các thời đim khác nhau 48 Bảng 3.6. Tóm tắt các hệ số từ phương trình Abs = k1* C + k0 th hiện sự tương quan giữa độ hấp thụ quang và nồng độ asen 48 Bảng 3.7. Chuẩ n bị dung dịch xây dự ng đườ ng chuẩ n 49 Bảng 3.8. Độ hấp thụ quang thu đượ c khi xây dự ng đườ ng chuẩ n xá c đị nh As 49 Bảng 3.9. Kế t quả đá nh giá độ tin cậ y (độ chệ ch) của đường chuẩn 50 Bảng 3.10. Kết quả thực nghiệm và giá trị tính toán được 51 Bảng 3.11.Kế t quả phân tí ch asen trong mẫ u nướ c ngầ m 52 Bảng 3.12. Kế t quả khả o sá t ả nh hưở ng củ a tỷ lệ mol Fe/Si đế n độ bề n củ a vậ t liệ u54 Bảng 3.13. Kế t quả khả o sá t ả nh hưở ng củ a thờ i gian lắ ng đế n độ bề n củ a vậ t liệ u 55 Bảng 3.14. Kế t quả khả o sá t ả nh hưở ng củ a nhiệ t độ nung đến độ bn của vật liệu 56 Bảng 3.15. Chấ t lượ ng nướ c trướ c xử lý và sau xử lý ở thí nghiệ m 1 58 Bảng 3.16. Chấ t lượ ng nướ c trướ c xử lý và sau xử lý ở thí nghiệ m 2 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Một số hình ảnh v nạn nhân nhiễm độc As 9 Hình 1.2. Bản đồ phân bố As trong nước ngm tnh Thái Bình , Nam Định , Ninh Bình năm 2001 16 Hình 1.3. Vậ t liệ u hydroxit sắ t dạ ng hạ t 22 Hình 1.4: Sơ đồ hệ thố ng và thiết bị lọ c sử dụ ng vậ t liệ u hydroxit sắ t dạ ng hạ t 24 Hình 2.1. Vậ t liệ u hydroxit dạ ng hạ t biế n tính thu đượ c sau khi nung sấ y tạ i nhiệ t độ tố i ưu. 42 Hình 2.2. Xử lý asen bằ ng vậ t liệ u hydroxit dạ ng hạ t biế n tính 44 Hình 2.3. Xử lý asen bằng vật liệu hydroxit dạng hạt biến tính 44 Hình 3.1. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của As vào nồ ng độ H+ 46 Hình 3.2. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của dung dịch As theo nồng độ NaBH4 47 Hình 3.3. Đường chuẩn xác định As 50 Hình 3.4. Ảnh hưởng của t lệ Si/Fe tớ i hiệ u suấ t hấ p phụ As(III). 54 Hình 3.5. ảnh hưởng của thờ i gian lắ ng tớ i hiệ u suấ t hấ p phụ 56 Hình 3.6. Ảnh hưở ng củ a nhiệ t độ nung tớ i hiệ u suấ t hấ p phụ trong điề u kiệ n hấ p phụ gián đoạn 57 Hình 3.7. Ảnh hưở ng củ a nhiệ t độ nung tớ i độ bề n củ a vậ t liệ u 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Xã hội ngày càng phát trin thì vấn đ v môi trường ngày càng được quan tâm và chú trọng đc biệt vì nó liên quan trực tiếp đến sức khoẻ con người. Trong những năm gn đây, nước sạch luôn là vấn đ thời sự đang được các cấp, các ngành và chính phủ đc biệt quan tâm. Vấn đ “làng ung thư” đang bùng phát ở nước ta trong thời gian gn đây có nguyên nhân trực tiếp do nguồn nước sinh hoạt của người dân. Các chất thải của các xí nghiệp, nhà máy đã khiến cho không ch nguồn nước, mà đất ở đây cũng bị ô nhiễm trm trọng. Trong nước giếng khoan mà người dân sử dụng làm nước sinh hoạt chứa nhiu chất ô nhiễm, trong đó phải k đến asen (thạch tín). Người uống nước bị ô nhiễm asen, lâu ngày sẽ tích lũy trong cơ th, có th gây một số bệnh như: bệnh Bowen, bệnh sừng hóa da, bệnh “bàn chân đen”. Tình trạng nhiễm độc asen nng hơn có th gây ung thư (gan, phổi, bàng quang và thận) hoc viêm răng, khớp, gây bệnh tim mạch, cao huyết áp. Ảnh hưởng độc hại đáng lo ngại nhất của asen tới sức khỏe là khả năng gây đột biến gen, ung thư, thiếu máu, các bệnh tim mạch. Trên thế giớ i , vấ n đề ô nhiễm As trong nướ c ngầ m đã tr ở thành đ tài được các nhà khoa học thuộ c nhiề u ngà nh khoa học quan tâm. Nhiề u công trì nh , dự á n điề u tra, tìm hiu đã được tiến hành một cách công phu , có hệ thống và vài địa đim đượ c đá nh giá là điể m nó ng ô nhiễ m arsenic củ a thế giớ i như Bangladesh , Ấn Độ hay mộ t số khu vự c củ a Trung Quố c Tại Việt nam vào đu thập k 90, các giếng khoan nước ngm UNICEF đã phát trin mạnh trong cả nước và trở thành một nguồn cung cấp nước sinh hoạt chính cho nhiu vùng nô ng thôn và ngoạ i thà nh . Tuy nhiên, kết quả nghiên cứ u từ nhữ ng năm 1990 đến nay cho thấy nhiu vùng củ a miề n Bắ c như: Hà Nam, Hà Tây, Ninh Bình, các vùng ven 2 bờ sông Hồ ng và một số địa phương vùng đồ ng bằ ng sông Cử u Long có xác suất ô nhiễm As khá cao. Mứ c độ và cơ chế ô nhiễ m đượ c nhiề u cơ quan nghiên cứ u tiế n hà nh khả o sá t , đá nh giá trong cá c công trình khoa học với sự h trợ vốn của Nhà nước và các tổ chức quốc tế như WHO , UNICEF, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 DANIDA Các phát hiệ n về sự ô nhiễ m As trong cá c nguồ n nướ c ngầ m cho thấ y hàng triệu người đang phải đố i mặ t vớ i cá c nguy cơ do sự ô nhiễ m nà y gây ra. Hiện nay, vấn đ ô nhiễm As trong nước ngm đã không còn là vấn đ của riêng một quốc gia nào mà thực sự trở thành mối quan tâm của cả thế giới khi xảy ra thảm họa nhiễm độc As trên diện rộng ở Bangladesh và Tây Bengan Ấn Độ. Ngoài ra, nhiu nơi trên thế giới như Đài Loan, Alaska, Argentina, Canada, Mỹ, Việt Nam cũng có nguồn nước ngm bị nhiễm As. Nguyên chính của quốc nạn As ở nhiu nước trên thế giới là do người dân chuyn từ việc dùng nước mt sang dùng nước ngm. Sử dụng nước ngm đã tạo ra một sự cải thiện quan trọng v vệ sinh dịch tễ song chưa lường trước được sự nhiễm As, các kim loại nng và các hợp chất độc hại khác. Nhậ n thứ c đượ c sự quan trọ ng củ a vấ n đề ô nhiễm As trong nguồ n nướ c sinh hoạt, chúng tôi đã lựa chọn đ tài “Nghiên cứu xác đnh h àm lƣợ ng As trong nƣớ c ngầ m và xƣ̉ lí bằ ng vậ t liệ u hydroxit sắ t dạng hạt biế n tí nh”. Mục tiêu của đ tài là : Xác đị nh mứ c độ nhiễ m As trong một số nguồ n nướ c ngầ m , đá nh giá mứ c độ ô nhiễm nguồ n nướ c và đ  xuất giải pháp xử lí nhằm giảm thiu tác hại của As đến sức khỏe con người. [...]... (2-trimetylasonietanol) Me 3As+ CH2CH2OH 11 Dimetylasinoyletanol Me 3As+ (O-)CH2CH2OH Các dạng tồn tại của As trong nước được quan tâm nhất trong phân tích môi trường đó là: As( III), As( V), DMAA và MAA Trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn Hàm lượng As trong nước ngầm phụ thuộc vào tính chất và trạng thái As tồn tại trong nước ngầm ở dạng H2AsO4- (trong môi trường pH axit đến gần trung tính) , HAsO42- (trong môi... tán và điều kiện của môi trường tồn tại Bảng 1.1 Một số dạng As trong các đối tƣợng sinh học và môi trƣờng Tên goi ̣ STT Công thƣc ́ 1 Asin AsH3 2 Asenit AsO33- 3 Asenat AsO43- 4 Axit dimetyl asenic (DMAA) Me2AsO2H 5 Axit metylasonic (MAA) MeAsO3H2 6 Trimetyl asin Me 3As 7 Oxit Trimetyl asin TMAO Me 3As+ -O- 8 Ion tetrametylasoni Me 4As+ 9 Trimetylasoniaxetat Me 3As+ CH2COO- 10 Asenocholin (2-trimetylasonietanol)... nhất định (về tốc độ dòng, nồng độ chất khử ) thì As( V) sẽ hoàn toàn không bị khử tại pH = 2 Do đó có thể xác định riêng hàm lượng As( III), sau đó sử dụng L – cystein khử hoàn toàn As( V) về As( III) để xác định tổng hàm lượng và suy ra lượng As( V) Trong một công trình khác, Jian-bo Shi và đồng nghiệp [14] đã chiết hai dạng As vô cơ ra khỏi mẫu đất và sử dụng hệ HVG – AFS để xác định riêng từng dạng. .. để định lượng asin như AAS, GC – AAS, GC – MS [14],[19],[22] Các nhà khoa học nghiên cứu định lượng các dạng As theo hướng này đã đưa ra một số vấn đề cần lưu ý cho quá trình xác định [18] Thứ nhất: hiệu suất khử các dạng As thành asin và dẫn xuất asin phụ thuộc nhiều vào môi trường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 phản ứng và nồng độ NaBH 4 Mỗi dạng. .. AFS để xác định riêng từng dạng bằng cách xác định As( III) trong môi trường axit citric 0,1M và xác định tổng hàm lượng As sau khi khử As( V) về As( III) bằng L – cystein ngay trên dòng Số lượng công trình áp dụng kĩ thuật hidrua hoá xác định As rất lớn và đa dạng [14],[19] cho thấy tính ưu việt vượt trội của kĩ thuật này Đặc biệt là khi kết hợp sử dụng một hệ sắc kí và bộ phận hidrua hoá với một detector... Nguồn gốc ô nhiễm và các dạng tồn tại của ASEN trong nƣớc 1.1.1 Trạng thái tự nhiên và nguồn gốc ô nhiễm As Asen phân bố khá rộng rãi trong tự nhiên, chúng tồn tại chủ yếu trong các hợp chất ít tan ở dạng vô cơ và hữu cơ Trong tự nhiên As tồn tại chủ yếu ở các dạng hợp chất với S, O, Cl, trong khoáng vật như khoáng sắt, đá vôi, muối mỏ, reagal As4 S4, opriment As2 S3, asenopirit FeAsS, quặng kẽm,…[3],[17],[20]... độ nhạy của phương pháp và cách thức các ion này ảnh hưởng lên phép đo không như nhau Các nghiên cứu gần đây phát triển theo hướng này đã có những thành tựu đáng kể trong việc góp phần định lượng các dạng As vô cơ Emil A.Cordosa và các cộng sự đã xác định hàm lượng As( III) và As( V) trong mẫu trên hệ HVG – AAS bằng cách điều chỉnh pH của môi trường phản ứng [11] Nghiên cứu này chỉ ra rằng: với... biết trong dung dịch, là chất khử mạnh trong môi trường kiềm Trong nước As( OH)3 phân li : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 As( OH)3  As( OH)2O- + H+ Ka = 6.10-6 As( OH)3  As( OH)2+ + OH- Ka = 1,67.10-5 pH < 4 nó tồn tại ở dạng As( OH)2 + pH > 5 ở dạng As( OH)2OpH = 4,6 nó tồn tại ở dạng trung gian (cả 2 dạng As( OH)2 + và As( OH)2 O- ) e Asen (V) oxit (As2 O5)... - As2 O5: tnc = 3150o C; trạng thái: rắn; Màu trắng; D = 4320kg/m3 Trên 4000C, bị phân hủy thành oxi và oxit thấp hơn: 2As2 O5  As4 O6 +2O2 - (1.11) Dễ tan trong nước tạo axit asenic: As2 O5 + 3H2O  2H3AsO4 (1.12) f Axit Asenic (H3AsO4 ) - Trong môi trường nước H3AsO4 phân ly theo phương trình H3AsO4  H2AsO4- + H+ pKa1 = 2,2 H2AsO4-  HAsO42- + H+ HAsO42- AsO43- + H+ - pKa2 = 6,98 pKa3 = 11,5 Axit asenic... 1.5.4 Xác định As tông bằng phƣơng pháp HVG – AAS ̉ Nhóm tác giả [21] đã phát triển một phương pháp xác định đồng thời 4 dạng As là As( III), vô cơ As( V), vô cơ DMAA(V) và MAA(V) bằng phổ hấp thụ nguyên tử Phương pháp này xây dựng trên cơ sở 4 dạng As này cho tín hiệu hấp thụ khác nhau khi đo trên hệ quang AAS sau khi khử bằng NaBH 4 Các tác giả đã nghiên cứu và lựa chọn đo tín hiệu các dạng As này . TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TỐNG DUY NINH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG As TRONG NƢỚC NGẦM VÀ XỬ LÍ BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT SẮT DẠNG HẠT BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC . TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TỐNG DUY NINH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG As TRONG NƢỚC NGẦM VÀ XỬ LÍ BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT SẮT DẠNG HẠT BIẾN TÍNH Chuyên ngành: Hoá phân tích Mã số: 60.44.0118. trong phân tích môi trường đó là: As( III), As( V), DMAA và MAA. Trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn. Hàm lượng As trong nước ngm phụ thuộc vào tính chất và trạng thái. As tồn tại trong