nghiên cứu khả năng xử lý amoni trong nước bằng nano mno2 - feooh mang trên laterit (đá ong) biến tính

Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 1 - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THỊ NGỌC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC BẰNG NANO MnO 2 – FeOOH MANG TRÊN LATERIT ( ĐÁ ONG) BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2011 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 2 - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THỊ NGỌC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC BẰNG NANO MnO 2 – FeOOH MANG TRÊN LATERIT ( ĐÁ ONG) BIẾN TÍNH Chuyên ngành : Hóa môi trƣờng Mã số : 60 44 41 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.TRẦN HÔNG CÔN Hà Nội – 2011 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 3 - MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC HÌNH v DANH MỤC CÁC BẢNG vii LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG I – TỔNG QUAN 2 1.1. Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lí các hợp chất chứa nitơ trong nƣớc cấp 2 1.1.1. Tiêu chuẩn về nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong nƣớc cấp của thế giới và Việt Nam 2 1.1.1.1. Thế giới 2 1.1.1.2. Việt Nam 2 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ trong nƣớc cấp 2 1.1.3. Nguyên nhân 4 1.1.4. Tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với cơ thể con ngƣời 4 1.1.5. Các nguồn gây ô nhiễm amoni 5 1.1.5.1 Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên 5 1.1.5.2. Nguồn gốc gây ô nhiễm do con ngƣời 6 1.2. Các phƣơng pháp tách loại amoni 6 1.2.1. Phƣơng pháp sinh học tách loại amoni 7 1.2.1.1. Quá trình nitrat hóa 7 1.2.1.2. Quá trình denitrat hoá 8 1.2.2. Các phƣơng pháp hóa lý và hóa học tách loại amoni 9 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 4 - 1.2.2.1. Phƣơng pháp MAP 9 1.2.2.2. Làm thoáng để khử amoni 9 1.2.2.3. Phƣơng pháp clo hoá đến điểm đột biến 10 1.2.2.4. Phƣơng pháp trao đổi ion 11 1.2.2.5. Phƣơng pháp hấp phụ 11 1.3. Laterite 11 1.4. Giới thiệu chung về công nghệ nano 13 1.4.1. Một số khái niệm chung 13 1.4.2. Ứng dụng của công nghệ nano 14 1.5. Các phƣơng pháp điều chế vật liệu nano 16 1.5.1. Các phƣơng pháp chung điều chế vật liệu nano 16 CHƢƠNG 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19 2.1. Ý tƣởng nghiên cứu 19 2.2. Đối tƣợng nghiên cứu 19 2.3. Mục tiêu nghiên cứu 19 2.4. Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu 20 2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu 21 2.5.1. Chế tạo vật liệu MnO 2 mang trên laterit bằng phƣơng pháp ngâm phủ 21 2.5.2. Chế tạo vật liệu MnO 2 có kích thƣớc nanomet mang trên laterit bằng phƣơng pháp ngâm phủ 21 2.6. Phƣơng pháp phân tích 22 2.6.1. Xác định hàm lƣợng amoni bằng phƣơng pháp so màu với thuốc thử Nessler 22 2.6.2. Xác định hàm lƣợng Nitrit ( 2 NO  ) trong nƣớc bằng phƣơng pháp so màu với thuốc thử Griss 25 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 5 - 2.6.3. Xác định nitrat ( 3 NO  ) trong nƣớc bằng phƣơng pháp so màu với thuốc thử Phenoldisunfonic 27 2.6.4. Xác định nồng độ mangan (Mn 2+ ) trong nƣớc bằng phƣơng pháp Pesunphat 29 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1. Chế tạo vật liệu VL1 30 3.2. Chế tạo vật liệu VL2 30 3.3. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL1 34 3.3.1. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL1 theo thời gian 34 3.3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của vật liệu VL1 trong điều kiện kín khí 35 3.3.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu 35 3.3.2.2. Xác định tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu 36 3.3.2. Khảo sát khả năng oxi hóa amoni của vật liệu VL1 39 3.4. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2 40 3.4.1. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2 theo thời gian 40 3.4.2. Khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của vật liệu VL2 trong điều kiện kín khí 41 3.4.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu VL2 41 3.4.2.2. Xác định tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu 42 3.4.3. Khảo sát khả năng oxi hóa amoni của vật liệu VL2 44 3.5. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2 bằng mô hình động 48 3.6. Một số cơ chế giả định cho quá trình oxi hoá 50 KẾT LUẬN 53 Tài liệu tham khảo 54 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 6 - DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ Clo dƣ trong nƣớc vào nồng độ Clo xử lí nƣớc có và không có NH 3 10 Hình 2.1. Đƣờng chuẩn xác định amoni 24 Hình 2.2. Đƣờng chuẩn xác định nitrit 26 Hình 2.3. Đƣờng chuẩn xác định nitrat 28 Hình 2.4. Đƣờng chuẩn xác định mangan 29 Hình 3.1: Hình ảnh bề mặt laterite đã biến tính nhiệt, phóng đại 25000 lần 31 Hình 3.2 – 3.6: Bề mặt laterit biến tính nhiệt phủ MnO 2 kích thƣớc nanomet phóng đại 31-33 Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hiệu suất xử lý NH 4 + trong dung dịch vào thời gian 34 Hình 3.8: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào thời gian 36 Hình 3.9: Đƣờng cong hấp phụ amoni của vật liệu VL1 37 Hình 3.10: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu VL1 39 Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hiệu suất xử lý NH 4 + trong dung dịch vào thời gian 40 Hình 3.12: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hiệu suất xử lý NH 4 + trong dung dịch vào thời gian 41 Hình 3.13: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào thời gian 43 Hình 3.14: Đƣờng cong hấp phụ amoni của VL2 43 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 7 - Hình 3.15: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu VL2 44 Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ NH 4 + theo thời gian sục khớ 46 Hình 3.17: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ NO 2 - theo thời gian sục khớ 47 Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ NO 3 - theo thời gian sục khớ 47 Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ N 2 theo thời gian sục khớ 47 Hình 3.20. Mụ hỡnh xử lý amoni bằng phƣơng pháp liên tục 48 Hình 3.21 : Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của nồng độ NH 4 + vào thể tớch 49 Hình 3.22: Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của nồng độ NH 4 + vào thể tớch khi thờm Mn 2+ 50 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 8 - DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Thành phần chủ yếu của laterit ……12 Bảng 2.1. Danh mục dụng cụ thiết bị cần thiết cho nghiên cứu 20 Bảng 2.2. Danh mục các hóa chất cần thiết cho nghiên cứu 20 Bảng 2.3. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn xác định amoni 24 Bảng 2.4. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn xác định nitrit 26 Bảng 2.5. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn xác định nitrat 28 Bảng 2.6. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn xác định mangan. 29 Bảng 3.1: Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL1 theo thời gian 34 Bảng 3.2: Kết quả hấp phụ amoni của vật liệu VL1 37 Bảng 3.3: Kết quả khảo sát khả năng oxi hóa amoni của vật liệu VL1 39 Bảng 3.4: Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2 theo thời gian 40 Bảng 3.5: Khảo sát khả năng hấp phụ theo thời gian của vật liệu VL2 42 Bảng 3.6: Kết quả hấp phụ amoni của vật liệu VL2 43 Bảng 3.7: Ảnh hƣởng của oxi tới quá trình oxi hoá NH 4 + 45 Bảng 3.8: Ảnh hƣởng của oxi và Mn 2+ tới quá trình oxi hoá NH 4 + 45 Bảng 3.9: Ảnh hƣởng của oxi, Mn 2+ và vật liệu VL2 tới quá trình oxi hoá NH 4 + 46 Bảng 3.10: Kết quả khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2 bằng phƣơng pháp liên tục 49 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 9 - LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình ô nhiễm nguồn nƣớc nói chung và nguồn nƣớc sinh hoạt nói riêng đang là vấn đề toàn xã hội quan tâm khi nhu cầu về chất lƣợng cuộc sống ngày càng cao. Theo các phƣơng tiện thông tin đại chúng gần đây đƣa tin, ngƣời dân Hà nội đang sử dụng các nguồn nƣớc ô nhiễm, đặc biệt là ô nhiễm amoni, ngay cả nguồn nƣớc của các nhà máy nƣớc, hàm lƣợng amoni xác định đƣợc cũng vƣợt chỉ tiêu cho phép đến 6 lần hoặc cao hơn. Điều này đã làm cho nhiều ngƣời lo lắng về chất lƣợng nƣớc ngầm và nƣớc sinh hoạt ở Việt Nam. Để hạn chế tối đa tác hại của amoni đến sức khoẻ ngƣời dân cần phải kiểm soát chất lƣợng nƣớc sinh hoạt và phải có phƣơng pháp phù hợp để xử lý amoni trong nƣớc sinh hoạt một cách hiệu quả và an toàn. Trƣớc tình hình đó, chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý amoni trong nƣớc bằng nano MnO 2 - FeOOH mang trên laterit (đá ong) biến tính”. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 10 - CHƢƠNG I – TỔNG QUAN 1.1. Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lí các hợp chất chứa nitơ trong nƣớc cấp. 1.1.1. Tiêu chuẩn về nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong nước cấp của thế giới và Việt Nam. 1.1.1.1. Thế giới [3]. Theo tiêu chuẩn của EPA (U.S Enviromental protection Agency - cơ quan bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ), trong nƣớc sinh hoạt, NO 2 - không vƣợt quá 1 mg/L. Theo tiêu chuẩn EPA, trong nƣớc cấp uống trực tiếp, NH 4 + không vƣợt quá 0,5 mg/L. Theo tiêu chuẩn của WHO và EPA, trong nƣớc cấp uống trực tiếp, hàm lƣợng NO 3 - không vƣợt quá 10 mg/L. 1.1.1.2. Việt Nam [7]. Theo “Tiêu chuẩn vệ sinh nƣớc ăn uống” ban hành kèm theo quyết định số 1329/2002/BYT- QĐ của bộ Y tế, nồng độ cho phép của các hợp chất nhƣ sau: Hàm lƣợng Amoniac tính theo Amoni: 1,5 mg/L Hàm lƣợng Nitrit tính theo Nitrit: 3 mg/L Hàm lƣợng Nitrat tính theo Nitrat: 50 mg/L 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ trong nước cấp Do thực trạng hệ thống cấp - thoát nƣớc, xử lí nƣớc cấp và nƣớc thải, chất thải rắn chƣa đồng bộ, cộng thêm đó là sự phát triển của các ngành công - nông nghiệp ngày một tăng trong thời gian gần đây, chƣa kể đến các quá trình diễn ra trong tự nhiên, điều kiện địa chất - thủy văn phức tạp ở vùng châu thổ sông Hồng đã gây cho nguồn cấp nƣớc duy nhất hiện nay - nguồn nƣớc ngầm, nguy cơ ô nhiễm ngày một cao, trong đó có ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ. [...]... hoàn chỉnh của MnO2 kích thƣớc nanomet chúng tôi sử dụng vật liệu MnO2 mang trên laterit để xử lý amoni trong nƣớc Nếu nghiên cứu này đem lại kết quả tốt thì vật liệu trên thực sự rất có ý nghĩa trong xử lý nƣớc cấp do nó vừa có thể xử lý đƣợc một số kim loại nặng trong nƣớc lại vừa có thể xử lý amoni trong nƣớc 2.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu trong luận văn này là vật liệu laterit lấy ở... mang trên đó MnO2 dùng để xử lý mẫu nƣớc tự tạo có chứa amoni với nồng độ khác nhau 2.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn là: - Chế tạo vật liệu MnO2 mang trên laterit biến tính - 27 - Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học - Đánh giá khả năng oxi hóa, hấp phụ NH4+ của MnO2 mang trên laterit biến tính nhiệt 2.4 Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên. .. cho nghiên cứu STT Tên hóa chất Mục đích 1 MnSO4.H2O Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu 2 NH4Cl Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu 3 KOH Xác định nồng độ amoni trong dung dịch 4 KI Xác định nồng độ amoni trong dung dịch 5 HgI2 Xác định nồng độ amoni trong dung dịch - 28 - Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học 6 CH3COOH Xác định nồng độ nitrit trong dung dịch 7 -naphtylamin... thì cần phải biến tính nhiệt và loại bỏ các chất bẩn Hơn nữa nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy công nghệ nano đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong xử lý môi trƣờng do đó laterit là chất hấp phụ, chất mang rất lý tƣởng 1.4 Giới thiệu chung về công nghệ nano 1.4.1 Một số khái niệm chung Công nghệ nano Khoa học nano bắt đầu từ thập kỷ 60 của thế kỷ trƣớc và trong những năm... nitrit trong dung dịch 8 axit sunfanilic Xác định nồng độ nitrit trong dung dịch 9 Phenoldisunfonic Xác định nồng độ nitrat trong dung dịch 10 NH3 Xác định nồng độ nitrat trong dung dịch 2.5 Phương pháp nghiên cứu 2.5.1 Chế tạo vật liệu MnO2 mang trên laterit bằng phương pháp ngâm phủ [7] Laterit đã đƣợc nghiền nhỏ và biến tính nhiệt ở 9000C, rây lấy các hạt có kích thƣớc từ 0,25 - 1,00 mm, rửa sạch bằng. .. khô ở 1050C trong 2 giờ Laterit (0.2 5-1 mm) Ngâm trong dd KMnO4 1N trong 2 giờ Sấy khô Rửa bằng dd Na2SO3 0.5M Sấy khô Rửa bằng nƣớc cất Sấy khô thu đƣợc vật liệu Vật liệu thu đƣợc kí hiệu là vật liệu VL1 - 29 - Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học 2.5.2 Chế tạo vật liệu MnO2 có kích thước nanomet mang trên laterit bằng phương pháp ngâm phủ [7, 14] Tổng hợp vật liệu bằng phƣơng... giản, sản phẩm có độ tinh khiết cao - 26 - Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học CHƢƠNG II - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Ý tưởng nghiên cứu của đề tài luận văn [1, 16, 19] Từ một số kết quả thực nghiệm cho thấy MnO2 trong điều kiện nhất định có thể oxi hóa một phần NH4+ thành N2, NO 2- và NO 3- Nhƣ vậy nếu MnO2 kích thƣớc nanomet thì khả năng oxi hóa NH4+ của nó là rất cao... lớn với amoni hòa tan trong nƣớc và sử dụng các vật liệu đó để loại bỏ amoni ra khỏi nƣớc Đã có một vài công trình nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nƣớc bằng các vật liệu nhƣ than hoạt tính, zeolit…[3] 1.3 Laterite [6, 19] Laterite có mặt chủ yếu tại vùng đồng bằng Bắc Bộ nhƣ Hà Tây, Vĩnh Phúc, Bắc Giang, Bắc Ninh…Ngoài ra tại các tỉnh Thanh Hoá, Nghệ An, Ninh Bình… thì sự tồn tại của laterite... nitrit, nitrat và amoni Amoni thực ra không quá độc đối với cơ thể ngƣời Ở trong nƣớc ngầm, amoni không thể chuyển hóa đƣợc do thiếu oxy Khi khai thác lên, vi sinh vật trong nƣớc nhờ O2 trong không khí chuyển amoni thành các nitrit (NO 2-) , nitrat (NO 3-) Các hợp chất chứa nitơ trong nƣớc có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho ngƣời sử dụng nƣớc Trong những thập niên gần đây, mức NO 3- trong nƣớc uống... tế bào thai do trong dạ dày không có đủ độ chua để hạn chế sự chuyển hoá NO 3- thành NO 2- NO 2- - 12 - Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học hình thành ở dạ dày, truyền qua đƣờng máu, phản ứng với huyết sắc tố mang oxy, oxy hoá sắt để tạo thành huyết Methaemoglobin làm giảm khả năng mang oxy của máu, có khả năng gây tử vong do "ngột ngạt hóa chất" Những quốc gia có NO 3- cao phải cấp . hình đó, chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài Nghiên cứu khả năng xử lý amoni trong nƣớc bằng nano MnO 2 - FeOOH mang trên laterit (đá ong) biến tính . Luận văn thạc. TỰ NHIÊN  NGUYỄN THỊ NGỌC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC BẰNG NANO MnO 2 – FeOOH MANG TRÊN LATERIT ( ĐÁ ONG) BIẾN TÍNH Chuyên ngành : Hóa môi trƣờng Mã. 3.3.2. Khảo sát khả năng oxi hóa amoni của vật liệu VL1 39 3.4. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2 40 3.4.1. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2 theo thời gian 40 3.4.2. Khảo