nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm asen bằng phương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thực tế ở các vùng nông thôn

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN HUỆ - HÀ ĐÔNG ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC NGẦM Ô NHIỄM ASEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXI – QUANG HÓA TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ Ở CÁC VÙNG NÔNG THÔN. Lĩnh vực: Hóa học NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC - TS. Lê Văn Chiều - Đơn vị công tác: TT nghiên cứu Công nghệ môi trường và phát triển bền vững – Trường TÁC GIẢ: 1.Lê Tùng Sơn Lớp: 11 Hóa 2-THPT chuyên Nguyễn Huệ 2. Nguyễn Sơn Khuê Lớp: 11 Hóa 2-THPT chuyên Nguyễn 1 Đại học KHTN – Đại học Quốc gia Hà Nội GIÁO VIÊN PHỤ TRÁCH: -ThS. Nguyễn Thị Liên - Môn: Hóa Huệ Hà Nội, tháng 12 năm 2014 2 Lời cảm ơn Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với TS. Lê Văn Chiều và ThS.Nguyễn Thị Liên đã tận tình hớng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trờng THPT chuyên Nguyễn Huệ, cha mẹ, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ và động viên chúng em hoàn thành đề tài này. H Ni, thỏng 12 nm 2014 Nhúm tỏc gi ti Lờ Tựng Sn Nguyn Sn Khuờ 3 Mục lục MỞ ĐẦU 6 1. Lý do chọn đề tài 6 3. Lợi ích của đề tài 7 4. Nhiệm vụ của đề tài 7 Chương 1 TỔNG QUAN 8 1.3.4. Công nghệ NanoVAST (Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 kết nối với các kỹ thuật khác) 11 1.3.5. Keo tụ - Kết tủa 11 1.3.6. Oxi hóa 12 1.4. Cơ sở lí thuyết của đề tài 12 Chương 2 THỰC NGHIỆM 14 2.1. Dụng cụ và hóa chất: 14 2.2. Thu mẫu nước: 14 2.3. Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong mẫu nước ngầm 14 2.4. Các bước làm một thí nghiệm 14 2.5. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen 15 2.6. Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng oxi – hóa Asen(III) 15 2.7. Xử lí Asen trong nước có hàm lượng sắt ít 16 2.8. Kiểm tra E.Coli và Coliform trong nước sau xử lý 16 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 16 3.1. Thu mẫu nước 16 3.2. Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong các mẫu nước ngầm 17 3.3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen 17 3.4. Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng oxi – hóa Asen(III) 19 3.5. Xử lý Asen trong nước có hàm lượng sắt ít 20 4 3.6. Kiểm tra E.Coli và Coliform trong nước sau xử lý 20 KẾT QUẢ 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 5 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ô nhiễm nước đang là vấn đề nóng bỏng và là mối quan tâm hàng đầu ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Tại Việt Nam, nước ngầm được sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt chính của nhiều cộng đồng dân cư. Sự có mặt của Asen trong nước ngầm tại nhiều khu vực, nhất là vùng nông thôn tại Việt Nam đã và đang gây ra những nguy cơ cho sức khỏe con người. Bên cạnh đó tác hại của Asen đối sức khỏe chưa được cảnh báo đầy đủ đến người dân. Theo thống kê của Bộ Y tế, tính đến năm 2010, hiện có 21% dân số Việt Nam đang dùng nguồn nước nhiễm asen vượt quá mức cho phép và tình trạng nhiễm độc asen ngày càng rõ rệt và nặng nề trong dân cư, đặc biệt ở khu vực đồng bằng sông Hồng [3]. Mặc dù có nhiều phương pháp cho hiệu quả cao để loại trừ hoặc làm giảm nồng độ asen trong nước xuống dưới 10 μg/l theo QCVN 02: 2009/BYT hoặc tiêu chuẩn về nước uống của Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization - WHO) nhưng các phương pháp đó chỉ có thể thực hiện được với những hệ thống xử lý nước cấp với công nghệ phù hợp, qui mô lớn ở các đô thị, thành phố có kinh tế phát triển. Còn các khu vực nông thôn nghèo, vùng sâu, vùng xa thì các công nghệ vẫn chưa được phổ biến và sử dụng một cách rộng rãi do hạn chế về trình độ dân trí, kinh phí và bất tiện trong việc vận hành và bảo trì. Phương pháp người dân thường áp dụng theo kinh nghiệm để giảm thiểu/loại bỏ sắt và asen trong nước giếng khoan là bể lọc cát đơn giản nhưng đôi khi hiệu quả lại không cao do việc vệ sinh, bảo trì không đảm bảo. Với mong muốn góp phần giúp người dân có cơ hội được sử dụng nguồn nước sạch bằng những biện pháp, phương tiện đơn giản cùng với những kiến thức đã học, sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu chúng em quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm Asen bằng phương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thực tế ở các vùng nông thôn”. Trong đề tài này, chúng em sử dụng các điều kiện, nguyên liệu có sẵn, dễ kiếm như ánh sáng mặt trời, chanh, nước oxi già (dung dịch H 2 O 2 ), đinh sắt gỉ để sử lý nước nhiễm Asen. 6 2. Tính sáng tạo của đề tài - Chỉ với nước cốt chanh, chai nhựa, giấy nhôm, dung dịch H 2 O 2 … (dụng cụ và nguyên liệu dễ kiếm, không độc hại) kết hợp với ánh sáng mặt trời để loại bỏ Asen ra khỏi nước ngầm, đồng thời khử trùng nước. Thao tác thực hiện đơn giản, có thể truyền đạt rộng rãi để người dân áp dụng. - Đối với nguồn nước có thành phần sắt và Asen cao, cần bổ sung thêm tác nhân oxi hóa (như H 2 O 2 ) nhằm tăng khả năng oxi hóa Asen(III) thành Asen (V). - Đối với nguồn nước có thành phần sắt thấp: bổ sung thêm sắt (dùng đinh sắt gỉ) với mục đích tạo thêm chất hấp phụ Asen. 3. Lợi ích của đề tài - Góp phần chứng minh khả năng loại bỏ asen trong nước bằng phương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thường với những nguyên vật liệu đơn giản sẵn có và tận dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng cho quá trình oxi hóa và khử trùng. - Góp phần tuyên truyền để người dân sống trong những vùng nông thôn có nguồn nước bị ô nhiễm asen có thể tự làm giảm thiểu/loại bỏ asen và khử trùng nước để ăn uống, sinh hoạt bằng phương pháp đơn giản, dễ thực hiện nhằm bảo vệ sức khỏe cho chính mình và cộng đồng. 4. Nhiệm vụ của đề tài - Tìm hiểu những nguồn nước bị ô nhiễm asen ở địa phương để lựa chọn mẫu nước để tiến hành thí nghiệm. - Lấy các mẫu nước giếng khoan tại những vùng có nhiều Asen, xác định hàm lượng sắt và Asen trong các mẫu đó. - Tiến hành thí nghiệm với các mức độ bổ sung tăng dần nhằm so sánh khả năng loại bỏ As:  Không có tác động bên ngoài.  Sử dụng ánh sáng mặt trời.  Sử dụng ánh sáng mặt trời với các lượng nước chanh khác nhau nhằm tìm ra điều kiện pH tối ưu cho khả năng loại bỏ As.  Bổ sung tác nhân oxi hóa (H 2 O 2 ).  Bổ sung đinh sắt gỉ nhằm tăng cường quá trình hấp phụ As. - Lấy mẫu nước sau thí nghiệm đem đi phân tích kết quả sắt và Asen. - Đồng thời kiểm tra nước sau xử lý còn khuẩn E.coli và Coliform không. 7 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về Asen 1.1.1. Asen Asen (As) là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong vỏ trái đất, thứ 14 trong nước biển và thứ 12 trong cơ thể con người. As là nguyên tố hóa học thuộc phân nhóm chính nhóm V trong bảng Hệ thống tuần hoàn Mendeleep. As có thể tồn tại trong hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ với bốn mức hóa trị là: -3, 0, +3 và +5. Trong nước tự nhiên, As tồn tại chủ yếu ở 2 dạng hợp chất vô cơ là asenat [As(V)], asenit [As(III)]. As(V) là dạng tồn tại chủ yếu của As trong nước bề mặt và As(III) là dạng chủ yếu của As trong nước ngầm. 1.1.2. Tác hại của Asen đối với sức khỏe Ngộ độc asen là các bệnh kinh niên do sử dụng nước uống có chứa asen ở nồng độ cao trong một khoảng thời gian dài (Asvà nhiều hợp chất của nó là những chất độc cực kỳ có hiệu nghiệm). Asen phá vỡ việc sản xuất ATP thông qua vài cơ chế. Ở cấp độ của chu trình axít citric, asen ức chế pyruvat dehydrogenaza và bằng cách cạnh tranh với phốtphat nó tháo bỏ phốtphorylat hóa ôxi hóa, vì thế ức chế quá trình khử NAD+ có liên quan tới năng lượng, hô hấp của ti thể và tổng hợp ATP. Sản sinh của perôxít hiđrô cũng tăng lên, điều này có thể tạo thành các dạng ôxy hoạt hóa và sức căng ôxi hóa. Các can thiệp trao đổi chất này dẫn tới cái chết từ hội chứng rối loạn chức năng đa cơ quan. Các hiệu ứng bao gồm sự thay đổi màu da, sự hình thành của các vết cứng trên da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận và bàng quang cũng như có thể dẫn tới hoại tử. Tổ chức y tế thế giới (WHO) đã đề nghị mức giới hạn của asen là 0,01 mg/L trong nước uống. 8 1.2. Tìm hiểu về nước ngầm Việt Nam 1.2.1. Nước ngầm Nước ngầm là chỉ loại nước nằm bên dưới bề mặt đất trong các không gian rỗng của đất và trong các khe nứt của các thành tạo đá, và các không gian rỗng này có sự liên thông với nhau. Một đơn vị đá hoặc các dạng tích tụ vật liệu không cố kết được gọi là tầng chứa khi nó có thể cung cấp một lượng nước có thể sử dụng được. Ở Việt Nam việc khai thác nước ngầm là phổ biến, các hình thức: giếng đào, giếng khoan, giếng khoan nhà máy nước Đối với nhiều đô thị, chẳng hạn như Hà Nội, nguồn cung cấp nước chủ yếu là nước ngầm. 1.2.2. Thực trạng ô nhiễm Asen trong nước ngầm ở Việt Nam Vì ở trong điều kiện yếm khí (anaerobic), hầu hết arsenic trong nước ngầm ở Việt Nam ở dưới dạng arsenite [As(III)], một hợp chất arsenic hữu cơ có độc tính cao nhất. Khi tiếp xúc với không khí hay tia tử ngoại (ultra violet), arsenite bị oxy hóa thành arsenate [As(V)] ít độc hơn. Khu vực bị ô nhiễm Asen cao nhất là ở đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long. ÐBSH và ÐBSCL được cấu tạo bởi phù sa mới trong thời kỳ Holocene và Pleistocene nên nước ngầm ở hai vùng nầy có đặc tính gần giống nhau, đó là chứa nhiều sắt (iron), manganese, và ammonium. Kết quả phân chất cho thấy nồng độ của sắt có thể lên đến 56 milligram/lít (mg/l) (trung bình 2,26 mg/l) trong các mẩu nước ngầm ở An Giang và Ðồng Tháp vào năm 2004 và 48 mg/l (trung bình 13 mg/l) trong các mẩu nước ngầm ở gần Hà Nội vào năm 2002 [24]. Sự hiện diện của sắt rất quan trọng trong việc loại trừ hoặc làm giảm nồng độ arsenic trong nước ngầm, vì arsenate kết hợp với Fe(III) để thành FeAsO 4 rồi bị loại ra khỏi 9 nước ngầm khi kết tủa với Fe(OH) 3 . Khu vực đồng bằng 10ung Hồng bao gồm Hà Nội và các tỉnh phía nam Hà Nội như Hà Nam là những khu vực có hàm lượng Asen cao. Bản đồ các khu vực nhiễm Asen trên toàn quốc 1.3. Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm 1. 3.1. Xử lý bằng công nghệ xử lý giàn mưa Nước nguồn hay nước giếng khoan thường tồn tại dưới dạng Fe 2+ , Mn 2+ . Giàn mưa có tác dụng oxy hoá chuyển đổi thành Fe 3+ và Mn 4+ và một số tác nhân mang tính khử khác như As (III) cũng được oxy hoá lượng nhỏ. 1.3.2. Xử lý bằng bể lắng Đây là phương pháp sử lý Asen mà dân gian thường sử dụng, phương pháp này cũng gần giống với giàn mưa chỉ khác là nước được lắng tĩnh và dùng ánh nắng mặt trời và oxy để lắng và loại bỏ Asen. 1.3. 3. Xử lý bằng bể lọc Tuỳ theo điều kiện sử dụng, có thể xây dựng bể theo kích thước khác nhau. 10 [...]... 80% Asen trong nước ngầm cùng với việc loại bỏ sắt và mangan Những nghiên cứu này cũng đã chỉ rằng hàm lượng Asen trong nước sau khi xử lý bằng phương pháp trên phụ thuộc nhiều vào thành phần các hợp chất khác trong nước nguồn và trong đa số trường hợp, không cho phép đạt nồng độ Asen thấp dưới tiêu chuẩn, do vậy cần tiếp tục xử lý bằng các phương pháp khác 1.3.6 Oxi hóa Oxi hóa bằng các chất oxi hóa. .. hóa mạnh: Các chất oxi hóa được phép sử dụng trong cấp nước như Clo, KmnO4, H2O2, Ozon Oxi hóa điện hóa: Có thể xử lý nước chứa Asen bằng phương pháp dùng điện cực là hợp kim và áp dụng cho các hộ sử dụng nước quy mô nhỏ Oxy- quang hóa: Công nghệ loại bỏ Asenite (As(III)) và cả các chất hòa tan khác như Sắt, Phosphorus, Sulfur, khỏi nước bằng cách đưa chất oxy hóa và chất hấp phụ quang hóa: (chiếu... tăng lên Nước sau xử lý bằng chanh rất trong, cảm quan tốt, lượng chanh cho vào ít nên không ảnh hưởng nhiều đến pH của nước (sau xử lý pH≈7) Nước này đã gần như có thể sử dụng được luôn 18 Hình 3.1: Các mẫu nước ở khu vực Đông La sau khi phơi nắng 3.4 Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng oxi – hóa Asen( III) Làm thí nghiệm với nước ngầm lấy ở Thanh Oai (hàm lượng As và Fe đều cao) theo mục 2.6 Đem các mẫu... Nội, chủ yếu để xử lý sắt và mangan, cho phép loại bỏ 50 – 80% Asen có trong nước ngầm mạch sâu khu vực Hà Nội Nghiên cứu gần đây của CETASD và Viện Công nghệ Môi trường Liên bang Thụy Sĩ cho 11 thấy đối với các hộ gia đình sử dụng giếng khoan đơn lẻ, nơi có hàm lượng sắt cao trong nước ngầm, mô hình làm thoáng nước ngầm bằng cách phun mưa trên bề mặt bể lọc cát (lọc chậm), phổ biến ở các hộ gia đình... lệ nồng độ Sắt /Asen ở Thanh Oai, Hà Đông, Hoài Đức lần lượt là 98/1; 77/1; 113/1 Nồng độ sắt cao ở Thanh Oai, Hoài Đức sẽ tốt cho quá trình loại bỏ Asen ra khỏi nước ngầm 3.3 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen pH được điều chỉnh bằng lượng nước cốt chanh cho vào các mẫu nước lấy tại Đông La, Hoài Đức, Hà Nội Tiến hành làm thí nghiệm với các mẫu theo mục 2.5 Mẫu nước không xử lý bằng chanh sau... mẫu nước ngầm Khi hàm lượng sắt trong nước ngầm không cao, sắt (III) hiđroxit mới sinh không được nhiều nên lượng chất hấp phụ Asen bị giảm Từ số liệu đo được ta thấy rất rõ điều này, khi không bổ xung thêm sắt chỉ loại bỏ được 47% Asen, nhưng nếu bổ xung thêm sắt thì hiệu quả tăng lên khá rõ có 85% Asen trong nước ngầm đã bị loại bỏ 3.6 Kiểm tra E.Coli và Coliform trong nước sau xử lý Làm lại thực. .. ngay sau khi nước được lấy lên Nước chưa đem phân tích được phải bảo quản trong tủ lạnh (4oC) 2.3 Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong mẫu nước ngầm Lấy các mẫu nước ngầm đã chọn để đo nồng độ Fe và As ban đầu có trong các mẫu nước đó tại Trung tâm phân tích và giám định thực phẩm quốc gia – Viện Công nghiệp thực phẩm Kí hiệu các mẫu như sau: Thanh Oai (TO1); Đông La, Hoài Đức (ĐL1); Hà Đông (HĐ1) Hình... ra nhiều cặn rắn (trong bể lắng) chứa nồng độ cao của asen và chi phí sẽ tăng lên do tốn thiết bị (thiết bị lắng Thiết bị lọc thô và vật liệu CIM…) 1.3.5 Keo tụ - Kết tủa Cộng kết tủa – lắng – lọc đồng thời với quá trình xử lý sắt và/hoặc mangan có sẵn trong nước ngầm tự nhiên Đây là phương pháp xử lý đơn giản nhất, bằng cách bơm nước ngầm từ giếng khoan, sau đó làm thoáng để ôxy hóa sắt, mangan, tạo... phần cặn bằng bông y tế hoặc vải sạch lấy phần nước trong để dùng Một hộ gia đình 4 người cần mỗi ngày 50 lít nước sạch để dung cho việc ăn uống Định hướng trong thời gian tới - Hoàn thiện tiếp những nội dung đã làm ở trên - Tuyên truyền, vận động và hướng dẫn các hộ gia đình ở vùng nông thôn có hàm lượng asen cao sử dụng phương pháp trên để có thể làm giảm thiểu/loại bỏ asen và khử trùng nước để... ít) nên bổ sung thêm chất oxi hóa (H2O2) để quá trình oxi hóa As(III) thành Asen (V) được tốt hơn từ đó khả năng loại bỏ As cũng tốt hơn Không chỉ có vậy lượng sắt ở mẫu dùng H 2O2 giảm ba lần so với chỉ dùng chanh không, chứng tỏ việc sử dụng chất oxi hóa giúp cho quá trình loại bỏ sắt và asen đều tốt hơn 19 3.5 Xử lý Asen trong nước có hàm lượng sắt ít Mẫu nước lấy ở Hà Đông, Hà Nội có hàm lượng sắt . tìm hiểu và nghiên cứu chúng em quyết định chọn đề tài: Nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm Asen bằng phương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thực tế ở các vùng nông thôn . Trong đề tài. HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC NGẦM Ô NHIỄM ASEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXI – QUANG HÓA TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ Ở CÁC VÙNG NÔNG THÔN. Lĩnh vực: Hóa học NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC. có hàm lượng Asen cao. Bản đồ các khu vực nhiễm Asen trên toàn quốc 1.3. Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm 1. 3.1. Xử lý bằng công nghệ xử lý giàn mưa Nước nguồn hay nước giếng khoan