Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi và niken

Công nghệ nano có những tính chất vô cùng độc đáo với ứng dụng đơn giản, khả năng hấp phụ và chuyển hóa các chất ô nhiễm vượt trội với chi phí vận hành và bảo dưỡng tương đối thấp, chất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Phùng Thị Châm

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẮT NANO

XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM CADIMI VÀ NIKEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Phùng Thị Châm

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẮT NANO

XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM CADIMI VÀ NIKEN

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

Mã số: 60.85.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS LÊ ĐỨC

Hà Nội - 2012

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành bày t ỏ lòng cám ơn sâu sắc của mình tới PGS.TS Lê Đức,

th ầy đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên

c ứu và thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô, các anh chị Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi tr ường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Đại

h ọc Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện nghiên

c ứu đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi c ũng xin chân thành cám ơn toàn thể các thầy cô giáo Khoa Môi trường,

Tr ường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội đã động viên

và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại khoa và trong quá trình hoàn thành

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BIỂU ĐỒ vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về kim loại cadimi và niken 3

1.1.1 Tổng quan chung về kim loại cadimi 3

1.1.1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.1.2 Nguồn đưa cadimi vào môi trường 3

1.1.1.3 Độc học môi trường của cadimi 6

1.1.2 Tổng quan chung về kim loại niken 9

1.1.2.1 Giới thiệu chung về kim loại niken 9

1.1.2.2 Nguồn đưa niken vào môi trường 9

1.1.2.3 Độc học môi trường của kim loại niken 13

1.2 Tổng quan chung về công nghệ nano, sắt nano, nano lưỡng kim 14

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ nano 14

1.2.1.1 Khái niệm công nghệ nano và vật liệu nano 14

1.2.1.2 Ứng dụng của công nghệ nano 16

1.2.1.3 Tính chất của vật liệu nano 19

1.2.2 Giới thiệu sắt nano, nano lưỡng kim 20

1.2.2.1 Đặc điểm và tính chất của sắt nano 20

1.2.2.2 Các phương pháp chế tạo sắt nano 23

1.2.2.3 Chế tạo nano lưỡng kim 28

1.3 Tổng quan chung của khu công nghiệp Phố Nối A 29

1.3.1 Giới thiệu chung khu công nghiệp Phố Nối A 29

1.3.2 Hiện trạng môi trường nước thải khu công nghiệp Phố Nối A 31

1.3.2.1 Tổng quan về hệ thống xử lý nước thải công nghiệp tập trung 31

1.3.2.2 Thực trạng về môi trường nước thải khu công nghiệp 32

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.1 Đối tượng nghiên cứu 35

2.2 Nội dung nghiên cứu 35

2.3 Phương pháp nghiên cứu 35

2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu 35

2.3.2 Phương pháp khảo sát thực tế và lấy mẫu thực tế 35

2.3.3 Phương pháp thực nghiệm 35

2.3.3.1 Phương pháp chế tạo sắt nano 35

2.3.3.2 Phương pháp chế tạo nano lưỡng kim Fe – Cu 36

2.3.3.3 Phân tích các đặc tính của vật liệu 37

2.3.3.4 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano và nano lưỡng kim trong xử lý nước ô nhiễm kim loại cadimi và niken (mẫu nước tự tạo) 39

2.3.3.5 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano và nano lưỡng kim trong xử lý nước ô nhiễm kim loại cadimi và niken (mẫu nước thực tế) 42

2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu 43

Chương 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44

3.1 Kết quả nghiên cứu chế tạo sắt nano và ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm kim loại cadimi và niken 44

3.1.1 Kết quả nghiên cứu chế tạo sắt nano 44

3.1.1.1 Chụp nhiễu xạ tia X 44

3.1.1.2 Ảnh chụp TEM của sắt nano 46

3.1.1.3 Ảnh chụp SEM của sắt nano 47

3.1.2 Kết quả xử lý kim loại cadimi và niken của vật liệu sắt nano 48

3.1.2.1 Kết quả xử lý kim loại cadimi của vật liệu sắt nano 48

3.1.2.2 Kết quả xử lý kim loại niken của vật liệu sắt nano 53

3.2 Kết quả nghiên cứu chế tạo nano lưỡng kim (Fe-Cu) và ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm kim loại cadimi và niken 57

3.2.1 Kết quả nghiên cứu chế tạo nano lưỡng kim (Fe-Cu) 57

3.2.1.1 Ảnh chụp nhiễu xạ tia X 57

3.2.1.2 Ảnh chụp TEM của nano lưỡng kim Fe-Cu 59

3.2.2 Kết quả xử lý kim loại cadimi và niken của nano lưỡng kim 60

3.2.2.1 Kết quả xử lý kim loại cadimi của nano lưỡng kim 60

3.2.2.2 Kết quả xử lý kim loại niken của nano lưỡng kim 63

3.3 Đánh giá kết quả ứng dụng trong sử dụng sắt nano trong xử lý nước thải ô nhiễm cadimi và niken 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 74

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Hàm lượng một số kim loại nặng trong các sản phẩm dùng trong nông

nghiệp (mg/kg) .4

Bảng 2 Hàm lượng một số kim loại nặng trong các loại nước thải 5

Bảng 3 Hàm lượng Cd trong không khí ở một số khu vực trên thế giới 6

Bảng 4 Hàm lượng Cd trong một số loại cây trồng tại một số khu vực bị ô nhiễm 8

Bảng 5 Hàm lượng niken trong một số loại đá 10

Bảng 6 Hàm lượng (106 kg/năm) và tỷ lệ phần trăm (%) của một số nguyên tố được đưa vào đất từ các nguồn khác nhau 11

Bảng 7 Sự làm giàu niken và ô nhiễm niken trên lớp đất mặt 12

Bảng 8 Hàm lượng niken trong một số cây trồng 12

Bảng 9 Các chất và hợp chất có thể xử lý bằng Fe0 nano 18

Bảng 10 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý cadimi của sắt nano 49

Bảng 11 Ảnh hưởng của nồng độ cadimi ban đầu và lượng sắt nano xử lý 50

Bảng 12 Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý cadimi của sắt nano 51

Bảng 13 Khả năng tái sử dụng của sắt nano trong xử lý cadimi 52

Bảng 14 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý niken của sắt nano 53

Bảng 15 Ảnh hưởng của nồng độ niken ban đầu và lượng sắt nano xử lý 54

Bảng 16 Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý niken của sắt nano 56

Bảng 17 Khả năng tái sử dụng của sắt nano trong xử lý niken 57

Bảng 18 Ảnh hưởng của thời gian xử lý 60

Bảng 19 Ảnh hưởng của nồng độ Cd ban đầu và lượng nano lưỡng kim 61

Bảng 20 Ảnh hưởng của pH đến kết quả xử lý 62

Bảng 21 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý niken của nano lưỡng kim 63

Bảng 22 Ảnh hưởng của nồng độ niken ban đầu và lượng nano lưỡng kim 64

Bảng 23 Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý 65

Bảng 24 Kết quả phân tích mẫu nước thải KCN Phố Nối A 67

Bảng 25 Kết quả xử lý cadimi bằng sắt nano 67

Bảng 26 Kết quả xử lý niken bằng sắt nano 68

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Ứng dụng của sắt nano trong môi trường 17

Hình 2 Mô hình cấu tạo hạt Fe0 nano 21

Hình 3 Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước 24

Hình 4 Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương 24

Hình 5 Vị trí quy hoạch khu công nghiệp Phố Nối A 30

Hình 6 Nhiễu xạ tia X của vật liệu sắt nano 45

Hình 7 Nhiễu xạ tia X mẫu sắt nano được điều chế bởi Yuan-Pang Sun và nnk 46

Hình 8 Ảnh chụp TEM của phân tử sắt nano đã điều chế được 46

Hình 9 Ảnh TEM phân tử sắt nano điều chế bởi một số nhà khoa học khác 47

Hình 10 Kết quả chụp SEM mẫu vật liệu không bổ xung chất phân tán 48

Hình 11 Kết quả chụp SEM vật liệu không bổ xung chất phân tán 48

Hình 11 Ảnh nhiễu xạ tia X của nano lưỡng kim (Fe-Cu) 58

Hình 13 Ảnh chụp TEM của phân tử nano lưỡng kim đã điều chế 59

Hình 14 Ảnh chụp TEM về nano lưỡng kim Fe-Ni của Zhanqiang Fang và nnk 60

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 1 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý cadimi của sắt nano 49

Biểu đồ 2 Ảnh hưởng của nồng độ cadimi ban đầu và lượng sắt nano xử lý 50

Biểu đồ 3 Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý cadimi của sắt nano 51

Biểu đồ 4 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý niken của sắt nano 53

Biểu đồ 5 Ảnh hưởng của nồng độ niken ban đầu và lượng sắt nano xử lý 55

Biểu đồ 6 Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý niken của sắt nano 56

Biểu đồ 7 Ảnh hưởng của thời gian xử lý 61

Biểu đồ 8 Ảnh hưởng của nồng độ Cd ban đầu và lượng nano lưỡng kim 62

Biểu đồ 9 Ảnh hưởng của pH đến kết quả xử lý 63

Biểu đồ 10 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu quả xử lý niken của nano lưỡng kim 64

Biểu đồ 11 Ảnh hưởng của nồng độ niken ban đầu và lượng nano lưỡng kim 65

Biểu đồ 12 Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý 66

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AAS Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử BOD Nhu cầu oxy sinh hóa

COD Nhu cầu oxy hóa học

DO Lượng oxy hòa tan trong nước TSS Tổng chất rắn lơ lửng

pH Độ chua của nước QCVN Quy chuẩn Việt Nam TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Kính hiển vi điện tử quét

MỞ ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa, nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ các ngành kinh tế nhằm hướng tới trở thành nước công nghiệp vào năm 2020 Theo thống kê, đến tháng 6/2012 cả nước có 334 khu chế xuất, khu công nghiệp đã được phê duyệt thành lập với tổng diện tích đất tự nhiên là 90.900 ha, trong đó có 232 khu công nghiệp đã đi vào hoạt động và 102 khu công nghiệp đang trong giai đoạn đền bù giải phóng mặt bằng và xây dựng cơ bản Việc phát triển các khu công nghiệp trên cả nước là chủ trương đúng đắn của Đảng và Nhà nước ta, hiệu quả kinh tế xã hội mà các khu công nghiệp mang lại đã thấy rõ Tuy nhiên bên cạnh các mặt tích cực thì sự phát triển quá nóng các khu công nghiệp đã làm nảy sinh nhiều vấn đề xã hội như lãng phí tài nguyên đất, thu hồi đất sản xuất nông nghiệp để tiến hành xây dựng các khu công nghiệp nhưng sau đó để hoang phế và quan trọng nhất là gây ô nhiễm môi trường do nước thải

Tính đến tháng 6/2012, có khoảng 62% các khu công nghiệp đã xây dựng hệ thống xử lý nước thải tập trung Tổng lượng nước thải từ các khu công nghiệp ước khoảng 1 triệu m3/ngày/đêm và chiếm khoảng 35% tổng lượng nước thải của cả nước Với đặc thù đa ngành, đa lĩnh vực chính vì vậy tại những nơi này ngày đêm thải ra một hàm lượng lớn các chất thải vô cơ, hữu cơ đặc biệt là chất thải nguy hại trong đó có kim loại nặng như chì, asen, cadimi, thủy ngân,… Mặc dù các công trình đã đi vào hoạt động nhưng hiệu quả không cao, dẫn đến tính trạng 75% nước thải chảy ra ngoài với lượng ô nhiễm cao Tất cả các chất ô nhiễm này nếu không được thu gom, xử lý đúng kỹ thuật và tiêu chuẩn thì sẽ thải ra môi trường gây ô nhiễm môi trường nước cũng như sự tích lũy của chúng vào đất ảnh hưởng tới sức khỏe con người và hệ sinh thái Trong khi đó, nước thải công nghiệp là một hệ dị thể phức tạp bao gồm nhiều chất vô cơ và hữu cơ tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau, trong đó phải kể đến hàm lượng kim loại nặng

Ở nước ta, tình hình ô nhiễm môi trường đang ở mức báo động, đứng trước thực trạng trên, cần phải tìm kiếm các giải pháp công nghệ xử lý môi trường nhằm đảm bảo chất lượng và an toàn cho con người và hệ sinh thái Việc áp dụng và lựa chọn các cộng nghệ còn phụ thuộc vào những điều kiện khác nhau của từng vùng, từng quốc gia Việt Nam là nước với nền kinh tế đang phát triển, do đó, các công

nghệ xử lý tiết kiệm và có hiệu quả xử lý cao rất đựơc quan tâm và khuyến khích thực hiện Trong khi đó, có rất nhiều công nghệ xử lý môi trường sử dụng các kỹ thuật và công cụ phân tích hiện đại, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu

về công nghệ trong xử lý ô nhiễm nước Vì vậy, Việt Nam cần phải lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện thực tế của đất nước Công nghệ nano có những tính chất vô cùng độc đáo với ứng dụng đơn giản, khả năng hấp phụ và chuyển hóa các chất ô nhiễm vượt trội với chi phí vận hành và bảo dưỡng tương đối thấp, chất ô nhiễm không có tác dụng xấu với môi trường,… Với những ưu điểm vượt trội của công nghệ nano đã mở ra hướng đi mới trong ứng dụng công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường

Trên cơ sở đó, tác giả đã lựa chọn và xây dựng luận văn với đề tài “Nghiên

cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi và niken” phục vụ cho công tác nghiên cứu công nghệ trong xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng

Với mục tiêu đó, tác giả tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:

- Nghiên cứu chế tạo sắt nano, nano lưỡng kim;

- Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả xử lý kim loại cadimi và niken của sắt nano, nano lưỡng kim;

- Nghiên cứu ứng dụng sắt nano, nano lưỡng kim trong xử lý nước thải Khu công nghiệp Phố Nối A

Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm Các nội dung của luận văn được thực hiện tại Phòng phân tích môi trường, Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội

Chương 1 - TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về kim loại cadimi và niken

1.1.1 Tổng quan chung về kim loại cadimi

1.1.1.1 Gi ới thiệu chung

Trong vỏ trái đất cadimi (Cd) thường tồn tại dưới dạng khoáng vật như Grinolit (CdS), trong quặng Blende kẽm và Calanin có chứa khoảng 3% Cd Cadimi nguồn gốc tự nhiên là hỗn hợp của 6 đồng vị ổn định, trong đó có đồng vị 112Cd (24,07%) và 114Cd (28,86%) Cadimi dạng nguyên chất có màu trắng bạc nhưng trong không khí ẩm bị bao phủ bởi lớp màng oxit nên mất ánh kim, cadimi mềm, dễ nóng chảy, dẻo, có thể dát mỏng, kéo sợi được Khi cháy cadimi cho ngọn lửa màu xẫm Cadimi là nguyên tố tương đối hoạt động Trong không khí ẩm cadimi bền ở nhiệt độ thường do có màng oxit bảo vệ Cadimi trong tự nhiên phần lớn tồn tại dưới dạng hợp chất, ít khi tồn tại ở dạng nguyên chất

Cadimi và hợp chất của nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: cadimi dùng trong công nghiệp mạ để chống ăn mòn, cadimi sunfit dùng trong công nghiệp chất dẻo, gốm sứ … hay cadimi stearat còn dùng như một chất làm bền PVC, cadimi phot pho dùng làm ống trong vô tuyến, làm đèn huỳnh quang, màn chắn tia X, ống phát tia catốt…

1.1.1.2 Ngu ồn đưa cadimi vào môi trường

a Nguồn gốc tự nhiên

Nguồn tự nhiên đưa Cd vào môi trường đất chủ yếu là từ đá mẹ Ngoài ra có thể

lắng đọng bụi núi lửa từ trong không khí Theo nghiên cứu của tác giả Phạm Quang

Hà, (2002) thì hàm lượng Cd ở đất xám trung bình là 0,47 mg/kg đất, trong đất phù sa trung bình là 0,82 mg/kg đất và trong đất đỏ hàm lượng Cd trung bình là 1,24 mg/kg đất Theo tác giả Lê Văn Khoa (2007) thì trong đất phù sa thường có Cd < 1 mg/kg đất, đất đỏ bazan: Cd > 1 mg/kg đất, đất bạc màu: Cd = 0,05 - 0,5 mg/kg đất

b Nguồn gốc nhân tạo

* Sản xuất nông nghiệp

Trong các hoạt động sản xuất nông nghiệp việc sử dụng phân bón (đặc biệt là phân lân), thuốc bảo vệ thực vật và các chất kích thích sinh trưởng qua nhiều năm

cũng gây nên sự tích luỹ Cd trong đất

B ảng 1 Hàm lượng một số kim loại nặng trong các sản phẩm

dùng trong nông nghi ệp (mg/kg) [17]

Bùn thải chứa Cd trong chất bài tiết của con người, sản phẩm gia đình chứa

Zn và chất thải từ công nghiệp Hầu hết Cd đều tích lũy trong nước cống và được thải ra trong suốt quá trình xử lý bùn quánh Sự tập trung kim loại trong cống rãnh khác nhau rất cao do trình tự thay đổi liên tục của hợp chất và thể tích nước thải công nghiệp được thải vào cống

* Sản xuất công nghiệp và làng nghề:

Cd xâm nhập vào đất từ nguồn chất thải và nước thải công nghiệp như sản xuất pin, phủ mạ kim loại, hợp kim, công nghiệp nhựa, công nghiệp điện tử, hàn, hạt nhân Đất bị ảnh hưởng của chất thải công nghiệp đôi khi có hàm lượng Cd lên tới 1500mg/kg, [19] Hoạt động của các làng nghề đúc kim loại cũng là nguồn đưa

Cd vào trong đất, hàm lượng Cd trong đất phát hiện được tại Văn Môn (làng nghề

đúc kim loại) trung bình là 1 mg/kg đất, dao động từ 0,3-1,3 mg/kg đất, thậm chí có

những mẫu đất vườn có hàm lượng Cd đạt 3,1 mg/kg đất, [5]

* Sử dụng nước thải: Nước thải bao gồm: nước thải công nghiệp, nước

mưa, nước chảy tràn đô thị và trên đất nông nghiệp, nước thải từ mỏ Hàm lượng kim loại nặng trong các loại nước thải này khá cao Hàm lượng Cd trong nước thải

đã qua xử lý ở New York được phát hiện có nguồn gốc từ các cơ sở mạ điện 33%, các khu dân cư 49%, dòng chảy tràn 12%, công nghiệp 6%

B ảng 2 Hàm lượng một số kim loại nặng trong các loại nước thải [17]

Kim loại Loại nước thải Địa điểm Hàm lượng (µg/g)

Pb

Cd

Ngu ồn: Ferguson E.J ( 1990)

* Hoạt động khai thác khoáng sản

Cadimi tồn tại như một sản phẩm nấu chảy của quặng mỏ sunfua, ZnS, sphalente, wientzite, ZnCO3 Theo Alina Kabata – Pendias, công nghiệp khai khoáng phát thải vào môi trường 20.800 tấn Cd (1988) và 19.615 tấn (1997)

* Lắng đọng từ khí quyển

Cadimi được sử dụng trong các ngành công nghiệp như làm tấm bảo vệ thép, trong các hợp kim, trong chất màu (nhựa, lớp men, tráng men), trong pin Ni-Cd Cadmi phát thải vào khí quyển còn do việc đốt (xử lý) các rác thải chứa Cd như nhựa và pin, đốt nhiên liệu hóa thạch Mức tập trung bình thường của Cd trong khí quyển từ 1-50mg/m3, phụ thuộc vào các nguồn phát thải Nồng độ Cd trong bầu khí quyển ở châu Âu là 1-6mg/m3 với khu vực nông thôn, 3,6-20mg/m3 với khu vực thành thị và 16,5-54mg/m3 với các khu công nghiệp Trên phạm vi toàn thế giới, ước tính lượng lắng đọng Cd hàng năm là 5700 tấn Giá trị lắng đọng (cả khô và ướt) điển hình của Châu Âu là 3g/ha/năm trên đất nông nghiệp

B ảng 3 Hàm lượng Cd trong không khí ở một số khu vực trên thế giới [14]

a Độc tính của cadimi đối với con người [1], [4], [5], [6], [12]

Cadimi được xếp vào hàng những kim loại độc nhất Khi Cd xâm nhập vào

cơ thể nó làm mất hoạt tính của nhiều enzim do ion Cd 2+ có ái lực mạnh đối với các phân tử có chứa nhóm -SH và -SCH3 của các enzim Nguyên nhân chủ yếu làm Cd

có độc tính là do Cd đồng hình với Zn, nên nó có khả năng thay thế Zn trong một

số enzim, từ đó gây nên rối loạn trao đổi chất khoáng, rối loạn trao đổi gluxit và rối loạn sinh tổng hợp protein Trong cơ thể, Cd gắn với metalotionin tạo thành chất rất

bền, Cd khó phân hủy trở lại, do đó sự thải loại chúng ra ngoài rất lâu

Tác hại của Cd đối với con người rất nghiêm trọng, trong đó phải kể đến bệnh huyết áp, suy thận, phá huỷ mô tinh hoàn và các tế bào hồng cầu Người ta đã khẳng định rằng những tác động sinh lý của Cd xuất phát từ sự tương đồng về hoá học của nó với kẽm Đặc biệt là Cd có thể thay thế Zn trong một số enzym do đó làm biến đổi cấu hình enzym và làm suy yếu hoặc mất chức năng xúc tác của nó

cùng triệu chứng rối loạn bên trong

Cd xâm nhập vào cơ thể con người thông qua nhiều con đường khác nhau như hô hấp, thức ăn, nước uống Khi nhiễm độc Cd, con người có thể bị nôn mửa, tiêu chảy hoặc có thể bị co giật, các bệnh về xương, gan, thận, tim, mạch Với nồng

độ Cd từ 0,25-0,5mg/kg khối lượng qua đường tiêu hoá đã có thể gây ra đau dạ dày

và các bệnh đường ruột nghiêm trọng Nếu hàm lượng Ca, Fe, protein thấp thì tỷ lệ tích tụ Cd cao hơn Ở người có lượng Fe trong cơ thể thấp thì tỷ lệ hấp thụ trung bình Cd cao hơn 4 lần người bình thường và ở phụ nữ nguy cơ nhiễm Cd nhiều hơn

so với nam giới Cd khi xâm nhập vào cơ thể hầu hết được giữ lại ở thận và gây ảnh hưởng đến chức năng thẩm thấu của ống thận, làm tăng protein niệu, tăng β2 -

microglobulin niệu và huyết thanh, sau đó tăng creatinin huyết thanh, cuối cùng có thể ảnh hưởng đến axitamin, gluco và phốt phát

Trong công nghiệp thực phẩm, Cd được coi là nguyên tố nguy hiểm nhất, khi hàm lượng Cd >15mg/kg thì thực phẩm được coi là nhiễm độc Các hợp chất của

Cd trong nước, không khí, trong dung dịch và trong thức ăn đều gây độc Trong không khí, nồng độ Cd tối đa cho phép là 0,1mg/m3

Cd và hợp chất của nó được xếp vào nhóm có thể gây ung thư Cd là chất gây ung thư đường hô hấp khi người bị nhiễm độc Cd, tùy theo mức độ nhiễm sẽ gây ra ung thư phổi, thủng màng ngăn mũi, ung thư tuyến tiền liệt

b Độc tính của Cd tới sinh vật đất [1], [4], [5], [6], [12]

Cd trong đất có ảnh hưởng khá rõ nét đến quá trình sinh trưởng của một số chủng vi sinh vật có lợi, khi hàm lượng Cd trong đất ở ngưỡng 2,9mg/kg đất khô làm tổng số vi khuẩn và nấm bắt đầu giảm đáng kể, ở nồng độ 5mg/kg đất khô làm cho quá trình khoáng hoá giảm đến 39% và khi nồng độ 1000mg/kg đất khô quá trình nitơrat hoá giảm 60% Cd trong đất được cây trồng hút lên và tích luỹ trong sinh khối, khi động vật ăn phải có thể bị ngộ độc Cd Mức độ ảnh hưởng tuỳ thuộc vào loài và hàm lượng Cd tích luỹ trong thức ăn Qua một số kết quả nghiên cứu cho thấy ở động vật có vú và chim có thể bị ngộ độc Cd ở nồng độ 15-1350 mg/kg khối lượng cơ thể

Cd trong đất có đặc điểm khá linh động, có bán kính hydrát hóa giống với

Zn, vì vậy cây trồng bị ngộ nhận với yếu tố dinh dưỡng Zn Cây trồng hút Cd khác nhau tuỳ thuộc vào loài và sự di chuyển của Cd trong cây cũng khác nhau, Cd không phải là yếu tố dinh dưỡng cho cây trồng vì vậy khi xâm nhập vào cây trồng thì gây nên kìm hãm sự sinh trưởng và phát triển Cd ở nồng độ 2,5-4mg/kg đất khô làm cho năng suất lúa mỳ giảm 21% và tỷ lệ nảy mầm của ngô giảm 28%

Khi đất bị ô nhiễm bởi Cd, các loại cây trồng sinh trưởng trên đó sẽ hấp thu

Cd từ đất, Cd tích luỹ trong cây trồng khác nhau tuỳ thuộc vào loại cây trồng và mức độ ô nhiễm Cd trong đất Hàm lượng Cd tích luỹ trong cây cao có thể gây chết hoặc kìm hãm quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, ở mức độ thấp hơn

Cd tích luỹ trong sản phẩm thu hoạch và ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người và sinh vật thông qua con đường ăn uống

Tại một số điểm bị ô nhiễm Cd tích luỹ trong địa y tại các khu vực khai thác

mỏ có giá trị rất cao từ 11-22mg/kg/kg khô Đối với các khu vực bị tác động bởi chất thải của công nghiệp đã làm cho hàm lượng Cd tích luỹ trong gạo đạt từ 0,72-4,17mg/kg, trong lá rau diếp là 5,2-14,1mg/kg, cá biệt có những mẫu rau đạt 45mg/kg Cd Tác động của chất thải công nghiệp cũng làm hàm lượng Cd trong carot đạt từ 1,7-3,7mg/kg, của cải đường là 0,04-0,49mg/kg Các khu vực bị ảnh hưởng của chất thải công nghiệp có hàm lượng Cd tích luỹ trong cây ở mức độ cao nhất, sau đó đến vùng khai thác mỏ Các khu vực ven đô thị và sử dụng bùn thải cho sản xuất nông nghiệp có hàm lượng Cd tích luỹ trong cây trồng ở mức độ thấp hơn (bảng 4)

B ảng 4 Hàm lượng Cd trong một số loại cây trồng tại một số khu vực bị ô nhiễm[14]

Khu vực ô nhiễm bởi Loại cây trồng Cd (mg/kg khô) Quốc gia

Ngu ồn: Alina Kabata và Pendias (2001)

1.1.2 Tổng quan chung về kim loại niken

1.1.2.1 Gi ới thiệu chung về kim loại niken

Niken (Ni) là kim loại có nguyên tử khối là 58,71 Ni có thể xuất hiện trong các trạng thái oxi hoá nhưng chỉ có Ni (II) bền vững trên dãy pH rộng và điều kiện oxy hoá - khử trong môi trường đất Bán kính ion của Ni (II) là 0,065 nm (gần với bán kính của ion Fe, Mg, Cu và Zn) Niken là một kim loại màu trắng bạc, bề mặt bóng láng Niken nằm trong nhóm sắt từ Đặc tính cơ học: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ kéo sợi Trong tự nhiên, niken xuất hiện ở dạng hợp chất với lưu huỳnh

trong khoáng chất millerit, với asen trong khoáng chất niccolit, và với asen cùng lưu huỳnh trong quặng niken Ở điều kiện bình thường, nó ổn định trong không khí và

trơ với ôxi nên thường được dùng làm tiền xu nhỏ, bảng kim loại, đồng thau, v.v , cho các thiết bị hóa học, và trong một số hợp kim, như bạc Đức

1.1.2.2 Ngu ồn đưa niken vào môi trường

Trong vỏ trái đất, Ni phân bố tương tự như Co và Fe Do vậy Ni có nhiều nhất trong đá siêu bazơ (1.400 đến 2.000 ppm), đá càng chua càng nghèo Ni Trong

đá granit Ni chỉ còn chiếm tỷ lệ 5-15ppm Trong đá trầm tích hàm lượng Ni biến động trong khoảng 5-90 ppm, cáo nhất trong đá sét và thấp nhất trong đá cát Hàm

lượng Ni trong một số loại đá được nêu trong bảng 5

B ảng 5 Hàm lượng niken trong một số loại đá [17]

STT Loại đá Hàm lượng Ni (ppm)

1 Đá siêu bazơ: Dunit, Peridotit, pyroxen 1400 – 2000

Ngu ồn: Ferguson E.J ( 1990)

Hàm lượng Ni trong đất biến động trong phạm vi khá rộng từ 0,2 đến 450ppm Đất sét và đất thịt có hàm lượng Ni cao nhất, như đất Rendzin, Cambisols

và Kastanozem Trong đất quá kiềm và đất tro núi lửa và một số loại đất hữu cơ cũng nhiều niken Đặc biệt là đất hình thành trên đá Secpentin có than bùn có nhiều

Ni trong phức hữu cơ dễ hòa tan Đất vùng khô hạn và bán khô hạn cũng có nhiều

Ni Chế biến kim loại nhiều, đốt than và dầu nhiều thì nguy cơ nhiễm Ni càng trở nên nặng nề Việc bón bùn thải và một số loại phân lân cũng đưa lại cho đất một lượng Ni đáng kể Nguồn Ni do con người mang lại từ hoạt động công nghiệp làm tăng đáng kể hàm lượng Ni trong đất Ni trong bùn thải tồn tại chủ yếu dưới dạng chelat hữu cơ rất được dễ cây hút cho nên có thể rất độc với cây Bón vôi, bón muối photphat, bón phân hữu cơ là những biện pháp góp phần làm giảm việc hút Ni của cây, chống ngộ độc Ni cho cây Hàm lượng Ni trong cây mọc trên đất chưa bị ô nhiễm có thể khác nhau rất nhiều vì nó phản ánh cả nhân tố môi trường, cả nhân tố sinh học

B ảng 6 Hàm lượng (10 6 kg/n ăm) và tỷ lệ phần trăm (%) của một số nguyên tố được đưa vào đất từ các nguồn khác nhau [17]

Kim loại Nguồn đưa vào đất

Lượng thải ra hàng năm

Nông nghiệp và chất thải động vật

(phân bón)

0,23-4,45 (11,7)

14,5-150 (11,4)

17-119 (8,7)

0-1.7 (11,3)

65-253 (9,6)

9,2-82 (15)

5-49 (4,4)

3-52 (3,8)

0-2,2 (14,7)

18-104 (3,9)

2,2-23 (4,2)

6,6-8,2 (0,7)

18-62 (4,5)

0-1,0 (6,7)

54-115 (2,05)

7,3-35 (6,4)

20,8-73 (6,6)

40-156 (7,6)

670

(34,2)

149-446 (34)

93-335 (24,5)

0,4-5 (33,3)

498-1655 (62,86)

56-279 (51,3)

45-242 (21,7)

14-36 (2,6)

0,63-4,3 (28,6)

7,4-46 (1,75)

11-37 (6,8)

202-263 (26,6)

49-135 (6,6)

(5,4)

305-616 (47)

396-763 (55,8)

0,57-0,8 (5,3)

106-521 (19,8)

20,3-88 (16,2)

199-478 (42,9)

313-743 (36,17) Tổng lượng KL vào đất hàng năm 5,6-38 484-1309 541-1367 1,6-15 706-2633 106-544 479-1113 689-2054

Quá trình phát triển ngành công nghiệp cũng như khai thác quặng cũng đã là nguồn đưa một lượng Ni lớn vào trong đất Sự làm giàu Ni và ô nhiễm Ni trên lớp đất mặt ở một số quốc gia được nêu trong bảng sau:

B ảng 7 Sự làm giàu niken và ô nhiễm niken trên lớp đất mặt (ppm) [17]

Quốc gia Nguồn ô nhiễm Khoảng ô nhiễm Quốc gia Nguồn ô nhiễm Khoảng

NewZealand

Đất hình thành trên

đá Secpentin

1700-5000

Anh

Công nghiệp chế biến

Anh

Chất thải quặng 2-1150 Hà Lan Nông trại bón bùn

Trung bình hàm lượng Ni trong cỏ từ 0,1 – 1,7 ppm (theo chất khô) và trong

cỏ ba lá từ 1,2 đến 2,7 ppm (theo chất khô) Trong hạt lúa mì hàm lượng Ni trung bình biến động trong khoảng 0,2 đến 0,6 ppm (theo chất khô) Môi trường bị ô nhiễm Ni ảnh hưởng lớn đến hàm lượng Ni trong cây Trong môi trường không khí

bị ô nhiễm Ni thì ngọn cây tập trung nhiều Ni nhất Bùn thải cũng là nguồn ô nhiễm

Ni quan trọng đối với cây Vì Ni dễ di động trong cây nên quả và hạt có hàm lượng

Ni cao Niken hiện diện gây ô nhiễm trong môi trường nước từ nguồn nước thải của ngành điện tử, gốm sứ, ắc quy, sản xuất thép

B ảng 8 Hàm lượng niken trong một số cây trồng (ppm) [17]

Cây trồng Bộ phận

phân tích

Theo chất tươi Theo chất khô Trong tro

1.1.2.3 Độc học môi trường của kim loại niken

a Độc tính của niken tới sức khoẻ con người [1], [4], [12]

Sự phơi nhiễm: Con đường nhiễm niken của con người có thể qua hô hấp,

ăn uống và tiếp xúc da Nhiễm nghề nghiệp chủ yếu là do hít thở các hợp chất niken khí, bụi chứa niken từ tinh luyện kim loại, chế tạo hợp kim, đốt nhiên liệu, sản xuất hóa chất Các nghiên cứu cho thấy nhiễm theo đường hô hấp khoảng 35% niken được hấp thụ, theo đường ăn uống chỉ dưới 10% niken được hấp thụ Người lớn trung bình mỗi ngày tiêu thụ từ 100 đến 300µg niken Niken được hít thở một phần

đi vào máu Thời gian bán hủy là từ 1- 3 ngày đối với niken sunfat, 5 ngày đối với niken sunfua và hơn 100 ngày đối với niken oxit Thời gian bán thải là từ 30 đến 53 giờ trong nước tiểu đối với người nhiễm hạt niken không tan có kích thước nhỏ Sự hấp thụ qua da phụ thuộc vào tốc độ thẩm thấu của lớp biểu bì và khác nhau đối với mỗi loại hóa chất của niken

Niken được hấp thụ ngoài đường tiêu hóa vào động vật nhanh chóng phân bố vào thận, tuyến yên, phổi, da, tuyến thượng thận, buồng trứng và tinh hoàn Sự phân

bố nội bào và sự liên kết của niken hiện còn chưa rõ Các phối tử có khả năng siêu lọc được xem là quan trọng chủ yếu trong sự vận chuyển niken ở trong huyết thanh, trong mật, trong sự bài tiết nước tiểu cũng như sự liên kết nội tế bào Trong sinh vật, sự liên kết của Ni với metallothionein do chính nó gây ra Ni-MT (được gọi là niken plasmin) đã được tìm thấy trong sinh chất có tính chất của một phức của α 1-glycoprotein và là quan trọng trong sự liên kết nội bào và vận chuyển ngoại bào, sự

bài tiết mật và nước tiểu của Ni

Độc cấp: Tính độc này thường do hít thở phải khí niken cacbonyl gây nên

Sự hồi phục sau khi nhiễm độc cấp rất chậm, hậu quả có thể dẫn đến viêm phổi xơ hóa Các triệu chứng bệnh: viêm mũi, xoang cấp, mất khứu giác, thủng vách ngăn,

có thể lên cơn hen cấp và nặng hơn là phá hủy mô Đối với da khi bị nhiễm cấp có các biểu hiện: xưng nề da, trên da có những sần ban đỏ, da nóng rát, có thể dẫn đến tình trạng viêm da thần kinh

Độc mãn: nhiễm độc mãn đối với những người tiếp xúc nghề nghệp với Ni

(niken sunfat, các niken sunfua đặc biệt sunfua thấp Ni3S2, niken oxit và niken kim loại) có nguy cơ gây bệnh ác tính ở một số cơ quan, trước hết là bệnh ung thư

đường hô hấp (mũi, phổi), sau đó là dạ dày, tiền liệt tuyến và một số phụ tạng khác (mô mềm) Những nghiên cứu cho thấy thứ tự gây độc phổi phù hợp với độ tan trong nước của các hợp chất khác nhau của niken: niken sunfat độc nhất, rồi đến niken sunfua thấp và niken oxit

Khả năng gây ung thư của niken: các hợp chất của niken làm tăng cường

sự ngưng tụ chromatin ADN (chromatin là phần nhân tế bào có màu đậm chứa ADN và nucleoprotein) ADN trong dị chromatin được quá metyl hóa đối với proteintrực tiếp liên kết làm cho sự ngưng tụ tăng Một lý thuyết khác cho rằng niken phá hủy ADN gián tiếp qua các phần tử oxi hoạt động bằng chứng là vitamin

E chống oxi hóa cản trở sự ngưng tụ nhiễm sắc gây ung thư cho con người

b Tác động của niken tới cây trồng [12], [17]

Ni là nguyên tố có vai trò dinh dưỡng của cây ngũ cốc vì Ni có trong thành phần của men ureara, cần cho sự chuyển hoá urê, khi dùng urê làm nguồn phân đạm Những tác động của Ni đối với sự sinh trưởng của thực vật: ở hàm lượng 0,032 mg/l

là độc cho rễ cây Brrachystegia spiciformis trong dung dịch muối niken sunfat ở

nồng độ 0,032 mg/l Ni sự phân chia tế bào hoàn toàn bị cản trở và ở nồng độ 0,063 mg/l làm thay đổi màng tế bào và kìm hãm sự phát triển thể nguyên sinh Hàm lượng của Ni gây độc cho cây trồng nhìn chung dao động từ 10 -100 ppm (tính theo chất khô) Môi trường bị ô nhiễm Ni ảnh hưởng đến hàm lượng Ni trong cây Trong môi trường không khí bị ô nhiễm Ni thì ngọn cây tập trung nhiều Ni nhất Do đó, có thể rửa trôi khỏi mặt lá dễ dàng Bùn thải cũng là nguồn ô nhiễm Ni quan trọng đối với cây Vì Ni dễ di động trong cây nên quả và hạt có hàm lượng Ni cao

1.2 Tổng quan chung về công nghệ nano, sắt nano, nano lưỡng kim

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ nano

1.2.1.1 Khái ni ệm công nghệ nano và vật liệu nano

Công ngh ệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích,

chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomét (nm, 1nm = 10-9 m) Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:

• Cơ sở khoa học nano

• Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô nm

• Chế tạo vật liệu nano

• Ứng dụng vật liệu nano

Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa Nhưng thuật ngữ

“công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử

Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống nano, hạt nano được điều chế bằng nhiều cách khác nhau Ở cấp độ nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài của loại vật liệu này

V ật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét

Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

• Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn

chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ như đám nano, hạt nano…

• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano,

điện tử được tự do trên một chiều, ví dụ như dây nano, ống nano…

• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano,

hai chiều tự do, ví dụ như màng mỏng

• Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ

có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

Theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano:

• Vật liệu nano kim loại

• Vật liệu nano bán dẫn

• Vật liệu nano từ tính

• Vật liệu nano sinh học

1.2.1.2 Ứng dụng của công nghệ nano

Công nghệ nano thuộc vào lĩnh vực khoa học và công nghệ ở quy mô nano của các nguyên tử và phân tử Những tính chất của vật chất trong lĩnh vực này có thể được quan sát và khảo sát ở quy mô vi mô hoặc vĩ mô và được ứng dụng để phát triển các nguyên liệu, dụng cụ với những chức năng và tính năng mới Nhiều lĩnh vực của công nghệ nano vẫn còn trong giai đoạn phát triển ban đầu nhưng một số ứng dụng đã được thương mại hóa một cách thành công, nhất là trong lĩnh vực của vật liệu polyme mới Công nghệ nano hiện đã và đang có nhiều ứng dụng trong đời sống, ngành công nghiệp, quốc phòng, y học và môi trường cụ thể như:

- Công nghiệp: Trong ngành công nghiệp hiện nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh từ chiếc máy nghe nhạc iPod nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh; Trong ngành công nghiệp năng lượng: Nâng cao chất lượng của pin năng lượng mặt trời, tăng hiệu quả dự trữ năng lượng của pin và siêu

tụ điện, tạo ra chất siêu dẫn làm chất dẫn truyền điện đường dài

- Trong y học, để chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng các tế bào ung thư qua các hạt nano đóng vai trò là “ xe tải kéo”, tránh được hiệu ứng phụ gây ra cho các tế bào lành Các hạt nano được xem như những robot thâm nhập vào cơ thể giúp con người có thể can thiệp ở quy mô phân tử và tế bào Con người sử dụng phân tử nano để chuẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thư Y tế nano ngày nay đang nhằm vào những mục tiêu bức xúc nhất đối với sức khỏe con người, đó là các bệnh do di truyền có nguyên nhân từ gien, các bệnh hiện nay như: HIV/AIDS, ung thư, tim mạch, các bệnh đang lan rộng hiện nay như béo phì, tiểu đường, liệt rung (Parkison), mất trí nhớ (Alzheimer), rõ ràng y học là lĩnh vực được lợi nhiều nhất từ công nghệ này Đối với việc sửa sang sắc đẹp đã có sự hình thành nano phẩu thuật thẩm mỹ,nhiều lọai thuốc thẩm mỹ có chứa các loại hạt nano để làm thẩm mỹ và bảo vệ da Đây là một thị trường có sức hấp dẫn mạnh, nhất là đối với công nghệ kiệt xuất mới ra đời như công nghệ nano

- Trong môi trường: sử dụng công nghệ nano vào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng Kích thước vô cùng nhỏ của Fe0 nano giúp cho việc thúc đẩy quá trình phân bố tại những

khu vực có diện tích lớn làm tăng quá trình phản ứng chuyển hoá các chất ô nhiễm Hiện nay, sự đổi mới trong công nghệ tổng hợp nano và sản phẩm của nó đã đem lại kết quả quan trọng là giảm giá thành và tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của Fe0nano Có thể ứng dụng Fe0 nano để xử lý cả các chất vô cơ và hữu cơ Chế tạo ra màng lọc nano, lọc được các phân tử chất ô nhiễm, các chất hấp phụ, xúc tác nano dùng để xử lý chất thải ô nhiễm một cách nhanh chóng Người ta thấy rằng sắt nano

có thể phản ứng một cách hiệu quả với nhiều loại đất ô nhiễm khác nhau trong môi trường, bao gồm các hợp chất hữu cơ chứa clo, kim loại nặng và các chất vô cơ khác thể hiện ở hình 1

Hình 1 Ứng dụng của sắt nano trong môi trường

Theo Xiao-qin Li và nnk sắt nano có khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ và các chất vô cơ có tên dưới đây :

1.2.1.3 Tính ch ất của vật liệu nano

Vật liệu nano đang đi sâu vào đời sống hiện đại và đang dần dần chiếm một

ý nghĩa rất lớn đối với đời sống của con người nhờ vào các tính chất rất đặc biệt của chúng mà các vật liệu truyền thống trước đó không có được Tính đặc biệt của vật liệu nano có được là nhờ kích thước nhỏ bé của chúng Hai nguyên nhân chính dẫn tới những thay đổi ở tính chất của vật liệu là do diện tích bề mặt được tăng lên rất nhiều và xuất hiện các hiệu ứng lượng tử Diện tích bề mặt (trên đơn vị khối) tăng lên, sẽ dẫn tới độ phản ứng hóa học tương ứng tăng lên, làm cho một số vật liệu nano có thể được sử dụng làm chất xúc tác Khi kích thước của vật liệu bị giảm xuống tới 10nm hoặc ít hơn, các hiệu ứng lượng tử bắt đầu xuất hiện và làm thay đổi các tính chất quang học, từ tính và điện tính của vật liệu

- Hiệu ứng bề mặt:

Ở vật liệu nano, tỷ số các nguyên tử nằm trên bề mặt trên tổng số các nguyên

tử của vật liệu lớn hơn nhiều so với các vật liệu dạng khối Vì thế các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: Khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt … của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều Điều đó đã mở ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ

và nhiều hiệu ứng khác mà các nhà khoa học đang quan tâm, nghiên cứu

trên không còn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi Hiện tượng này gọi là hiệu ứng kích thước Kích thước mà ở đó, vật liệu bắt đầu có sự thay đổi các tính chất được gọi là kích thước tới hạn Ví dụ như: Điện trở của một kim loại ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hằng ngày sẽ tuân theo định luật Ohm Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thường là vài nm đến vài trăm nm) thì định luật Ohm sẽ không còn đúng nữa Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thước nano sẽ tuân theo quy tắc lượng tử

1.2.2 Giới thiệu sắt nano, nano lưỡng kim

1.2.2.1 Đặc điểm và tính chất của sắt nano

a Đặc điểm của sắt nano

Đặc tính bề mặt của Fe0 nano có tầm rất quan trọng tới cơ chế phản ứng, tính năng động lực học và sản phẩm trung gian Quá trình vận chuyển, phân phối và số phận của các hạt nano trong môi trường cũng phụ thuộc vào những đặc tính bề mặt này Về cơ bản, Fe0 nano có những tính năng hoạt hoá đặc biệt và tính năng bề mặt của chúng thay đổi một cách nhanh chóng bởi thời gian, dung dịch hoá chất và điều

kiện môi trường

Thí nghiệm về tỉ lệ diện tích đỉnh của Fe/OH- và OH-/O2- chỉ ra rằng màng oxit được hình thành chính từ sắt hydroxit và sắt oxyhyđroxit Kết quả của quá trình ôxy hoá sắt, Fe2+ được hình thành đầu tiên trên bề mặt theo phản ứng dưới đây:

2Fe + O2 + 2H2O
2Fe2+ + 4OH

Fe(OH)3 + 3H+
FeOOH + H2O

và các phản ứng khử xảy ra trên bề mặt của hạt Fe0 nano ở môi trường axit, Fe0đóng vai trò là chất khử, cho electron

Fe0
Fe2+ + 2e - (1) RCl + H+ + 2e -
RH + Cl - (2) Tổng hợp của hai phản ứng 1 và 2 là:

RCl + Fe0 + H+
RH + Fe2+ + Cl- (3) Các kim loại ví dụ như ZVI (zero-valent iron) có khả năng đóng vai trò như

là chất cho electron (chất khử), ZVI (Fe2+/Fe) có mức thế khử chuẩn (E0) là - 0,44V, thấp hơn so với nhiều kim loại như Pb, Cd, Ni và Cr đồng thời cũng như nhiều hợp chất hữu cơ chứa clo Những hợp chất này có thể tham gia phản ứng khử với Fe0 nano

Hình 2 Mô hình c ấu tạo hạt Fe 0 nano

b Tính chất của sắt nano

- C ấu trúc lõi sắt

Cấu trúc lõi - vỏ, cấu trúc điển hình của hạt sắt nano đóng một vai trò quan trọng trong việc phục hồi môi trường Người ta đã thừa nhận rằng hoạt tính của những hạt nano có cấu trúc lõi – vỏ được quyết định bởi sự oxi hoá của lõi Fe0 Do kích thước siêu nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn, hạt nano Fe0 rất dễ bị oxi hoá trong không khí Nhiều nhà nghiên cứu đã phủ một lớp mỏng chứa oxit hoặc lớp vỏ kim loại quý lên bề mặt vật liệu để tránh sự oxi hoá sắt

Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vật liệu nano chế tạo bị kết lại, hình thành cấu trúc chuỗi hoặc cụm Sự kết đám của vật liệu nano là điều khó tránh khỏi dưới

những điều kiện môi trường Sự kết đám của những hạt sắt nano sẽ ngăn cản chúng thâm nhập vào những môi trường xốp như đất, điều này có thể làm giảm sự vận chuyển của chúng trong những nơi bị ô nhiễm

- Di ện tích bề mặt riêng

Cùng với kích thước vật liệu, cấu trúc lõi- vỏ, và kết cấu, diện tích bề mặt riêng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến những tính chất vật lý và hoá học của vật liệu nano Vật liệu nano đã được chứng minh là có diện tích bề mặt riêng tương đối lớn

Những nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng vật liệu sắt nano có tốc độ phản ứng với chất ô nhiễm lớn hơn, do đó chúng hiệu quả hơn trong việc khử một số dạng chất ô nhiễm Zhang và các cộng sự đã so sánh diện tích bề mặt của vật liệu nano lớn hơn 1-2 bậc so với vật liệu micro Diện tích bề mặt lớn như vậy cho phép phản ứng xảy ra ở nhiều điểm, đây là một trong những lý do làm cho hạt sắt nano có thể phản ứng với chất ô nhiễm ở tốc độ cao hơn

- T ừ tính của hạt sắt nano

Từ tính của vật liệu sắt nano đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, như ghi từ, chất lỏng từ, các ứng dụng trong y sinh và chất xúc tác Tuy nhiên những nhà nghiên cứu trong lĩnh vực môi trường lại có xu hướng tránh đặc tính này

Do có diện tích bề mặt lớn và tính lưỡng cực từ - lực hút lưỡng cực, vật liệu nano từ tính có xu hướng kết đám, hình thành những sợi lớn hơn nhiều và làm giảm hoạt tính cũng như sự vận chuyển của hạt nano tại những điểm bị ô nhiễm Vì vậy, phân tán vật liệu nano từ tính là một yếu tố được ưu tiên để tăng hiệu quả phản ứng của những vật liệu này

c Tính chất của nano lưỡng kim

Do kích thước siêu nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn, hạt Sắt nano rất dễ bị oxy hóa trong không khí Chính vì vậy mà nhiều nhà nghiên cứu đã phủ một lớp mỏng chứa oxit hoặc lớp vỏ kim loại quý lên bề mặt vật liệu để tránh sự oxy hóa sắt Để nâng cao hiệu quả của phản ứng oxi-hóa khử, giảm bớt những tác động ảnh hưởng đến kết quả, bổ xung một lượng nhỏ kim loại xúc tác thứ 2 như Pd, Pt, Ag,

Cu, Ni vào bề mặt để tăng tốc độ khử của Fe0 nano.Kim loại hóa trị 2 phủ trên bề mặt sắt giống như một lớp bảo vệ để chống ăn mòn bề mặt, đồng thời tạo chất xúc

tác kim loại đôi, có hiệu quả hơn trong xử lý chất ô nhiễm bởi tốc độ phản ứng nhanh hơn so với sắt nano Ưu điểm khi sử dụng nano lưỡng kim:

+ Làm giảm năng lượng kích hoạt các chất ô nhiễm, tăng tốc độ phản ứng dechlorination và làm giảm sự hình thành các sản phẩm phụ [33]

+ Giảm các vấn đề hình thành các oxit trên bề mặt hạt sắt

+ Nhanh chóng giải phóng electron từ Fe0 của Fe0 nano kim loại [27]

1.2.2.2 Các ph ương pháp chế tạo sắt nano

a Phương pháp nghiền

Phương pháp nghiền sử dụng kỹ thuật mài cơ khí thông thường để phá vỡ các hạt kim loại có kích thước lớn thành các hạt có kích thước micro hoặc là nano Sự va chạm của các hạt hình cầu có thể phá vỡ kích thước của các hạt riêng biệt xuống còn vài nm và dẫn đến sự biến dạng bẻ gẫy và nối lại của chúng khi nghiền người ta thường sử dụng chất hoạt hoá bề mặt giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng chất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt

b Phương pháp đồng kết tủa

Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt oxit sắt Có 2 cách để tạo oxit sắt từ phương pháp này là hydroxit sắt bị oxi hóa một phần bằng một chất oxi hóa nào đó hoặc già hóa hỗn hợp dung dịch có tỉ phần hợp thức Fe2+ và Fe3+ trong dung môi nước Phương pháp thứ nhất có thể thu được hạt nano có kích thước từ 30nm – 100nm Phương pháp thứ 2 có thể tạo hạt nano có kích thước từ 2nm – 15nm Bằng cách thay đổi pH và nồng độ ion trong dung dịch mà người ta có thể có được kích thước hạt như mong muốn đòng thời làm thay đổi điện tích bề mặt của các hạt đã được hình thành

c Phương pháp vi nhũ tương

Vi nhũ tương cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến được dùng

để tạo hạt nano Với nhũ tương “nước – trong – dầu”, các giọt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử chất hoạt hóa bề mặt trong dầu (các mixen) Đây là một dung dịch ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong suốt, đẳng hướng Do sự giới hạn về

không gian của các phân tử chất hoạt hóa bề mặt, sự hình thành phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất Kích thước các hạt có thể từ

4 – 12nm với độ sai khác khoảng 0,2 – 0,3nm Ví dụ dodexyl sulfate sắt (Fe(DS)2), được dùng trong phương pháp vi nhũ tương để tạo hạt nano từ tính với kích thước

có thể được điều khiển bằng nồng độ chất hoạt hóa bề mặt là AOT và nhiệt độ

Hình 3 H ệ nhũ tương nước trong dầu và

d ầu trong nước

Hình 4 C ơ chế hoạt động của phương

pháp vi nh ũ tương

Cơ chế cụ thể của phản ứng xảy ra trong hệ vi nhũ tương như sau: Phản ứng hóa học tạo các chất mong muốn sẽ xảy ra khi ta hòa trộn các hệ vi nhũ tương này lại với nhau Có 2 cách để phân tử chất phản ứng gặp nhau:

Cách th ứ nhất: Các phân tử chất phản ứng thấm qua lớp màng chất hoạt hóa

bề mặt ra ngoài và gặp nhau Nhưng thực tế thì tỉ lệ sản phẩm tạo thành theo cách này là rất nhỏ, không đáng kể

Cách th ứ hai: Khi các hạt vi nhũ tương của các chất phản ứng gặp nhau, nếu

có đủ lực tác động thì hai hạt nhỏ (A,B) có thể tạo thành hạt lớn hơn (C) Các chất phản ứng trong hai hạt nhỏ sẽ hòa trộn, phản ứng xảy ra trong lòng hạt lớn và sản phẩm mong muốn được tạo thành (ở đây là các hạt magnetite Fe3O4) Các hạt magnetite Fe3O4 sau khi tạo thành sẽ bị chất hoạt hóa bề mặt bao phủ và ngăn cản không cho phát triển thêm về kích thước

Cũng bằng phương pháp này, người ta có thể chế tạo hạt oxit sắt bao phủ bởi một lớp vàng để tránh oxi hóa và tăng tính tương hợp sinh học

d Phương pháp Polyol

Polyol là phương pháp thường dùng để tạo các hạt nano kim loại như Ru Pd,

Au, Co, Ni, Fe, Sau này nó được mở rộng để tạo các hạt nano Các hạt nano được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol (rượu đa chức) Polyol có tác dụng như một dung môi hoặc trong một số trường hợp như một chất khủ ion kim loại Tiền chất có thể hòa tan trong polyol rồi được khuấy và nâng đến nhiệt độ sôi của polyol để khử các ion kim loại thành kim loại Bằng cách điều khiển động học kết tủa mà chúng ta có thể thu được các hạt kim loại với kích thước

và hình dáng như mong muốn Người ta còn thay đổi phương pháp này bằng cách đưa những mầm kết tinh bên ngoài vào dung dịch Như vậy quá trình tạo mầm và phát triển hạt là hai quá trình riêng biệt làm cho hạt đồng nhất hơn

Hạt nano oxit sắt với đường kính 100nm có thể được hình thành bằng cách trộn tỷ lệ không cân đối hydroxide sắt với dung dịch hữu cơ, [18] Muối Fe (II) và NaOH phản ứng với ethylene glycol (EG) hoặc polyethylene glycol (PEG) và kết tủa Fe xảy ra ở nhiệt độ từ 80-1000C Bẳng phương pháp này còn có thể tạo các hạt hợp kim của Fe với Ni hoặc Co

e Phương pháp phân ly các tiền chất hữu cơ ở nhiệt độ cao

Phương pháp phân ly các tiền chất hữu cơ ở nhiệt độ cao phân ly tiền chất chứa sắt trong môi trường chất hoạt hóa bề mặt ở nhiệt độ cao có thể tạo ra các hạt nano oxit sắt đồng nhất, kích thước như mong muốn và kết tinh tốt Sun đã chế tạo thành công hạt nano magnetite đồng nhất kích thước 3-20nm bằng cách cho phản ứng sắt (III) acetylacetonate trong phenyl ether với sự có mặt của rượu, oleic acid

và oleylamine ở nhiệt độ 2650C Phương pháp này có thể tạo hạt nano kích thước 4nm khi không có mầm kết tinh nhưng để đạt kích thước 20nm thì cần phải có mầm kết tinh

g Phương pháp phỏng sinh học

Phương pháp phỏng sinh học bắt đầu từ phân tử protein chứa sắt là ferritin là phương pháp được nghiên cứu kĩ lưỡng nhất Ferritin gồm một lõi Fe3+ hydrate hóa được bao bởi nhiều lớp protein Do lõi Fe3+ bị “giam” như vậy mà người ta có thể tạo ra hạt nano magnetie và magnetite/maghemite với kích thước 6-7nm bằng cách oxi hóa apoferritin bằng trimethylamio-N-oxide

h Phương pháp hóa siêu âm

Phương pháp hóa siêu âm là các phản ứng hóa học được hỗ trợ bởi sóng siêu

âm cũng được dùng để tạo hạt nano ô xít sắt Hóa siêu âm là một chuyên ngành của hóa học, trong đó, các phản ứng hóa học xảy ra dưới tác dụng của sóng siêu âm như một dạng xúc tác Sóng siêu âm là sóng dọc, là quá trình truyền sự co lại và giãn nở của chất lỏng Tần số thường sử dụng trong các máy siêu âm là 20 kHz cao hơn ngưỡng nhận biết của tai người (từ vài Hz đến 16 kHz) Khi sóng siêu âm đi qua một chất lỏng, sự giãn nở do siêu âm gây ra áp suất âm trong chất lỏng kéo các phân

tử chất lỏng ra xa nhau Nếu cường độ siêu âm đủ mạnh thì sự giãn nở này sẽ tạo ra những lỗ hổng trong chất lỏng Điều này xảy ra khi áp suất âm đó lớn hơn sức căng địa phương của chất lỏng Sức căng cực đại này lại phụ thuộc vào từng chất lỏng và tạp chất ở trong đó Thông thường, đây là một quá trình phát triển mầm; tức là, nó xuất hiện tại các điểm yếu tồn tại sẵn ở trong chất lỏng, như là những bọt khí hoặc những tiểu bọt khí tức thời có trong chất lỏng sinh ra từ những quá trình tạo lỗ hổng trước đó Phần lớn các chất lỏng bị nhiễm bẩn bởi các hạt nhỏ mà lỗ hổng có thể xuất phát từ đó khi có mặt của áp suất âm Một khi được hình thành, các bọt khí nhỏ

bị chiếu siêu âm sẽ hấp thụ năng lượng từ sóng siêu âm và phát triển lên Sự phát triển của các lỗ hổng phụ thuộc vào cường độ siêu âm Khi cường độ siêu âm cao, các lỗ hổng nhỏ có thể phát triển rất nhanh Sự giãn nở của các lỗ hổng đủ nhanh trong nửa đầu chu kì của một chu kì sóng siêu âm, nên đến nửa sau chu kì thì nó không có đủ thời gian để co lại nữa Khi cường độ siêu âm thấp hơn, các lỗ hổng xuất hiện theo một quá trình chậm hơn gọi là khuyếch tán chỉnh lưu Dưới các điều kiện này, kích thước của một lỗ hổng sẽ dao động theo các chu kì giãn nở và co lại Trong khi dao động như thế lượng khí hoặc hơi khuyếch tán vào hoặc ra khỏi lỗ hổng phụ thuộc vào diện tích bề mặt Diện tích bề mặt sẽ lớn hơn trong quá trình giãn nở và nhỏ hơn trong quá trình co lại Do đó, sự phát triển của lỗ hổng trong quá trình giãn nở sẽ lớn hơn trong quá trình co lại Sau nhiều chu kì siêu âm, lỗ hổng sẽ phát triển Lỗ hổng có thể phát triển đến một kích thước tới hạn mà tại kích thước

đó lỗ hổng có thể hấp thụ hiệu quả năng lượng của sóng siêu âm Kích thước này gọi là kích thước cộng hưởng, nó phụ thuộc vào tần số của sóng âm Ví dụ, với tần

số 20 kHz, kích thước này khoảng 170 mm Lúc này, lỗ hổng có thể phát triển rất nhanh trong một chu kì duy nhất của sóng siêu âm Một khi lỗ hổng đã phát triển

quá mức, ngay cả trong trường hợp cường độ siêu âm thấp hay cao, nó sẽ không thể hấp thụ năng lượng siêu âm một cách có hiệu quả được nữa Và khi không có năng lượng tiếp ứng, lỗ hổng không thể tồn tại lâu được Chất lỏng ở xung quanh sẽ đổ vào và lỗ hổng bị suy sụp Sự suy sụp của lỗ hổng tạo ra một môi trường đặc biệt cho các phản ứng hoá học - các điểm nóng (hot spot) Hóa siêu âm được ứng dụng

để chế tạo rất nhiều loại vật liệu nano như vật liệu nano xốp, nano dạng lồng, hạt nano, ống nano Hạt nano ô xít sắt và ô xít sắt pha Co và Ni đã được chế tạo bằng phương pháp này Tuy nhiên các hạt nano cần phải có chế độ xử lý nhiệt mới có thể đạt được từ độ bão hòa cao ở nhiệt độ phòng

Hạt nano từ tính dựa trên ô xít sắt đã được chế tạo bằng hóa siêu âm, [24] Đây là phương pháp rất đơn giản để tạo hạt nano từ tính với từ độ bão hòa rất cao Muối sắt (II) axetat được cho vào trong nước cất hai lần rồi cho chiếu xạ siêu âm với công suất khoảng 200 W/2 h trong môi trường bảo vệ Sóng siêu âm được tác dụng dưới dạng xung để tránh hiện tượng quá nhiệt do siêu âm tạo ra Khi tác dụng siêu âm, trong dung dịch sẽ xuất hiện các chất có tính khử và tính ôxi hóa như H2, hydro peroxit (H2O2) Các sản phẩm trung gian năng lượng cao có thể là HO2

(superoxit), hydro nguyên tử, hydroxyl và điện tử Các chất này sẽ ôxi hóa muối sắt

và biến chúng thành magnetite Fe3O4 Sau khi phản ứng xảy ra ta thu được hạt nano

Fe3O4 với từ độ bão hòa có thể đến 80 emu/g, cao gần bằng giá trị của Fe3O4 ở dạng khối

k Phương pháp điện hóa

Các nghiên cứu gần đây cho thấy các vật liệu nano chứa sắt có thể tổng hợp bằng phương pháp điện hóa bằng cách sử dụng anote sắt và catote titan trơ để điều chế sắt hạt nano Dung dịch điện ly chứa 50g/l (NH4)2FeSO4, 20g/l muối trinatri axit citric, 10g/l axit citric và 40g/l axit boric Nhiệt độ của bể phản ứng là 3030K Dòng điện với độ rộng xung ngắn được sử dụng để điều chỉnh kích thước hạt Kết quả cho thấy hạt nano chế tạo có kích thước trung bình là 19nm và độ ổn nhiệt lên tới 5500K

l Phương pháp khử pha lỏng

Phương pháp khử pha lỏng hay borohidrit là thêm một chất khử mạnh vào một dung dịch ion kim loại để khử nó thành các hạt kim loại có kích thước nano Các hạt sắt được tổng hợp theo phương pháp này được gọi là FeBH Do sự đơn giản

và hiệu suất của phương pháp khử pha lỏng, nó đã trở thành phương pháp được biết đến nhiều nhất và được sử dụng rộng rãi nhất chế tạo hạt nano ứng dụng trong môi trường Trong đó chất khử được sử dụng phổ biến nhất là NaBH4, dung dịch ion kim loại là sắt (III) clorit (FeCl3.6H2O) và sắt (II) sunfat FeSO4.7H2O

1.2.2.3 Ch ế tạo nano lưỡng kim

Do sắt nano có kích thước siêu nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn, hạt nano sắt rất dễ bị oxi hóa không khí Do đó có nhiều nghiên cứu trên thế giới đã phủ một lớp mỏng chứa oxit hoặc lớp vỏ kim loại lên bề mặt của vật liệu sắt nano để tránh

sự oxi hóa

Với tính chất từ tính của vật liệu nên nano sắt có xu hướng kết đám, hình thành nên những sợi lớn hơn khiến chúng giảm đi hoạt tính cũng như sự vận chuyển trong môi trường Vì vậy, việc phân tán các hạt nano sắt là tăng hiệu quả phản ứng của các vật liệu này Việc hình thành các oxit sắt và hyhro sắt trên bề mặt của sắt nano cũng làm giảm phản ứng của các hạt nano, [33] Để giải quyết vấn đề này, một chất xúc tác kim loại như Ni, Cu hoặc Pd đã được kết hợp với sắt nano để tạo thành nano lưỡng kim Trong đó, các hạt sắt đóng vai trò như electron hỗ trợ còn các chất như Ni, Cu và Pd như là các chất xúc tác nâng cao tỷ lệ dehalogen và ngăn cản quá trình oxi hóa của các hạt nano khi tiếp xúc với không khí Cho đến nay, nano lưỡng kim Fe-kim loại được sử dụng rộng rãi để phân hủy các hợp chất hữu cơ khác nhau

He và Zhao đã sử dụng dung dịch tinh bột để ổn định vật liệu nano lưỡng kim (Fe-Pd) Vật liệu nano đã được bọc tinh bột là những hạt riêng rẽ và ít bị kết dính hơn nhiều Kết quả của họ cũng cho thấy vật liệu nano bọc tinh bột có hoạt tính mạnh hơn

Theo Zhanqiang Fang và nnk [33] đã điều chế thành công nano lưỡng kim Fe-Ni có kích thước từ 20-50nm Cùng với đó, họ cũng tiến hành thử nghiêm để kiểm tra sự ổn định, độ bền và sự rò rỉ Ni của các hạt nano lưỡng kim Fe-Ni khi

xử lý Nano lưỡng kim (Fe-Ni) được chế tạo như sau: sử dụng Natri Borohydrit (NaBH4) Pha 0.1M FeSO4.7H2O pha trong 100mL cồn/nước (tỷ lệ 30:70) Bổ sung thêm PVP (polyvinyl pyrrolidone) với hạt nano tỷ lê 1:1 vào dung dịch FeSO4.7H2O Cho 0.3M NaBH4 vào dung dịch FeSO4.7H2O và khuấy từ trong thời gian 5 phút và dừng lại khi dung dịch chuyển màu đen Dùng nam châm thu được các sắt nano và rửa 3 lần với cồn 99% Phản ứng này được mô tả bởi phương trình sau:

2Fe2+ +2H20 + BH4− → 2Fe0 +BO2− +4H− +2H2 (1) Định mức dung dịch này bằng cồn lên 50ml Để phủ một lớp kim loại tạo nano lưỡng kim, thêm một lượng muối NiCl2.6H2O trong dung dịch vừa tạo ở (1), đem khuấy trong thời gian 30 phút Quá trình này như sau:

Fe(s) + Ni2+ → Fe2+ +Ni(s) (2) Tách và rửa hạt nano lưỡng kim như đối với sắt nano Cuối cùng hạt nano lưỡng kim được sấy khô trong môi trường chân không qua đêm ở nhiệt độ 500C trước khi sử dụng Kết quả thu được cũng được phân tích tính chất và đặc điểm bằng chụp X-Ray, TEM, BET (Brunnaer–Emmett–Teller) Hàm lượng kim loại Fe

và Ni của các hạt nano lưỡng kim được xác định bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (TAS-986, Pgeneral, Trung Quốc)

1.3 Tổng quan chung của khu công nghiệp Phố Nối A

1.3.1 Giới thiệu chung khu công nghiệp Phố Nối A

Các khu công nghiệp đóng vai trò quan trọng trọng quá trình phát triển kinh

tế - xã hội, là nhân tố chủ yếu thúc đẩy tăng trưởng công nghiệp, tăng khả năng thu hút vốn đầu tư trong và ngoài nước vào phát triển công nghiệp, đẩy mạnh xuất khẩu, tạo công ăn việc làm và thu nhập cho người lao động tại địa phương Khu công nghiệp Phố Nối A thuộc địa bàn tỉnh Hưng Yên, có những điểm tương đồng với các yếu tố phát triển của tỉnh Hưng Yên là tỉnh thuộc đồng bằng Bắc Bộ, thuộc tam giác kinh tế trọng điểm Hà Nội – Hải Phòng- Quảng Ninh Hưng Yên là cửa ngõ phía Đông của Hà Nội, gần các cảng biển Hải Phòng, Cái Lân và sân bay quốc

tế Nội Bài, giáp với các tỉnh và thành phố là Hà Nội, Bắc Ninh, Hà Nam, Thái Bình

và Hải Dương Với vị trí địa lý thuận lợi đã và đang là tiền đề thúc đẩy mạnh mẽ cho sự phát triển cho các khu công nghiệp trên địa bàn tỉnh

Hình 5 V ị trí quy hoạch khu công nghiệp Phố Nối A

Khu công nghiệp Phố Nối A thuộc địa bàn của các xã Đình Dù, Lạc Hồng, Trưng Trắc và Minh Hải thuộc huyện Văn Lâm và xã Giai Phạm huyện Yên Mỹ, tỉnh Hưng Yên Khu công nghiệp Phố Nối A đã và đang là một điểm hấp dẫn của các nhà đầu tư do có vị trí thuận lợi nằm ven quốc lộ 5, gần hệ thống đường sắt, cơ

sở hạ tầng nội bộ của khu công nghiệp khá tốt…

Khu công nghiệp Phố Nối A là một trong ba khu công nghiệp đã đi vào hoạt động trong số 13 khu công nghiệp trên địa bàn tỉnh Hưng Yên, và tiếp nhận dự án đầu tư theo Quy hoạch tổng thể phát triển các khu công nghiệp cả nước do Thủ tướng Chính phủ ban hành, do Công ty Quản lý khai thác Khu công nghiệp Phố Nối

A làm chủ đầu tư Với diện tích quy hoạch 594 ha, diện tích đất công nghiệp cho thuê khoảng 400 ha; diện tích đất công nghiệp đã lấp đầy khoảng 210 ha Khu công

nghiệp đã được đầu tư xây dưng hoàn thành hạ tầng kỹ thuật giai đoạn đầu với quy

mô diện tích khoảng 390 ha, đi vào hoạt động từ năm 2003 bao gồm hệ thống cấp thoát nước, nhà máy xử lý nước thải tập trung, hệ thống đường giao thông, hệ thống phòng cháy chữa cháy, hệ thống thông tin liên lạc,….; giai đoạn mở rộng có quy mô 204,8 ha đang được chủ đầu tư tiến hành công tác đền bù, giải phóng mặt bằng

Khu công nghiệp Phố Nối A là khu công nghiệp tổng hợp, gồm nhiều loại hình sản xuất khác nhau với lĩnh vực hoạt động chủ yếu là sản xuất lắp ráp điện, điện tử, điện lạnh cơ khí, ô tô, xe máy; sản xuất thép và các sản phẩm từ thép; sản xuất các loại sơn và bột bả; sản xuất các loại bao bì, ống PVC; sản xuất giấy; chế biến nông sản, thực phẩm;… Khu công nghiệp đã và đang thu hút rất nhiều các dự

án đầu tư, cho đến nay đã tiếp nhận 114 dự án trong và ngoài nước, trong đó có nhiều dự án của các nhà đầu tư từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ,…1

1.3.2 Hiện trạng môi trường nước thải khu công nghiệp Phố Nối A

1.3.2.1 T ổng quan về hệ thống xử lý nước thải công nghiệp tập trung

Theo quy hoạch phát triển cơ sở hạ tầng giai đoạn I, khu công nghiệp đã xây dựng công trình xử lý nước thải tập trung với công suất 3.000m3/ngày đêm và đã lắp đặt hệ thống quan trắc tự động đối với các thông số đặc trưng (như pH, DO, TSS, COD,…) để theo dõi chất lượng nước thải đầu ra của hệ thống xử lý nước thải tập trung của khu công nghiệp Hiện tại trong khu công nghiệp có 95 dự án đang hoạt động với tổng lượng nước thải phát sinh vào khoảng 8.800m3/ngày đêm (cả nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp), trong đó:

-> Có 77 dự án trong khu công nghiệp đã được đấu nối thu gom nước thải vào

hệ thống chung và được xử lý tại nhà máy xử lý nước thải tập trung của khu công nghiệp với lưu lượng khoảng 2.000m3/ngày đêm

-> Nước thải của 02 dự án là Công ty TNHH Pulppy Corelex Việt Nam, khoảng 5.500m3/ngày đêm, và Công ty Cổ phần Đầu tư phát triển công nghệ rượu bia NGK Hà Nội, khoảng 1.000 m3/ngày đêm, đáp ứng điều kiện được miễn trừ đấu nối theo quy định tại Nghị định số 88/2007/NĐ-CP ngày 28/5/2007 của Thủ tướng Chính phủ về thoát nước đô thị và khu công nghiệp, được xử lý bằng hệ thống xử lý nước thải riêng và được phép xả thải trực tiếp vào môi trường

1