Nghiên cứu xử lý asen trong nước bằng vật liệu zeolit biến tính bởi sắt được điều chế từ tro bay

Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HVCH Mai Thế Nam K19 KHMT DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên của từ viết tắt AA Nhôm hoạt tính (Activated Alumina) AAS Quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometric) As Asen ATP Phân tử có cấu tạo gồm các thành phần là bazơ nitơ anđênin, đường ribôzơ và 3 nhóm phôtphat (Adenosine Triphotphat) Fe-Z Vật liệu zeolit biến tính bởi sắt JCPDS Phổ nhiễu xạ chuẩn (Joint Committee of Powder Diffraction Standard) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microsope) QCVN Quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam UNICEF Quỹ Nhi đồng Liên Hiệp Quốc (United Nations Children's Fund) XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) Z Zeolit WHO Tổ chức Y tế thế giới (World Health Organization) Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HVCH Mai Thế Nam K19 KHMT MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 3 1.1. Tổng quan về asen 3 1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm trên Thế giới và tại Việt Nam 3 1.1.2. Ảnh hưởng của asen trong nước ngầm 7 1.2. Các biện pháp xử lý asen trong nước ngầm 12 1.2.1. Phương pháp ôxi hoá 14 1.2.2. Keo tụ - kết tủa 15 1.2.3. Hấp phụ 15 1.2.4. Trao đổi ion 17 1.3. Tổng quan về vật liệu zeolit biến tính bởi Fe 18 1.3.1. Tro bay 18 1.3.2. Zeolit 19 1.3.3. Vật liệu zeolit biến tính bởi Fe 26 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1. Đối tượng nghiên cứu 29 2.2. Phương pháp nghiên cứu 29 2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 29 2.2.2 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất sử dụng 29 2.2.3 Phương pháp tổng hợp, chế tạo vật liệu zeolit từ tro bay 30 2.2.4 Khảo sát khả năng hấp phụ asen của vật liệu Fe-Z 32 Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HVCH Mai Thế Nam K19 KHMT 2.2.5 Phương pháp phân tích 35 2.2.6 Phương pháp tổng hợp và xử lý số liệu 35 2.2.7 Phương pháp lấy mẫu và bảo bảo mẫu nước ngầm 35 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1. Kết quả điều chế vật liệu 36 3.1.1. Cấu trúc tinh thể và thành phần của vật liệu 36 3.1.2. Đặc tính bề mặt vật liệu 41 3.2. Khả năng hấp phụ asen của vật liệu điều chế 44 3.2.1. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ 44 3.2.2. Ảnh hưởng của PH dung dịch đến khả năng hấp phụ As của vật liệu 47 3.2.3. Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu 48 3.3. Thử nghiệm khả năng xử lý As trong nước ngầm của vật liệu điều chế 50 3.4. Đề xuất mô hình thiết bị lọc sử dụng vật liệu Fe-Z quy mô hộ gia đình 54 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 56 KếT LUậN 56 PHỤ LỤC 62 Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HVCH Mai Thế Nam K19 KHMT DANH MỤC BẢNG Bảng 1. So sánh một số công nghệ xử lý asen 11 Bảng 2. Thành phần khối lượng tro bay khô của nhà máy nhiệt điện Phả Lại 29 Bảng 3. Các loại zeolit điều chế từ tro bay [31] 39 Bảng 4. Khả năng hấp phụ asen của các vật liệu theo thời gian 44 Bảng 5. Ảnh hưởng của pH trong dung dịch đến hiệu suất hấp phụ As của vật liệu Fe-Z 47 Bảng 6. Kết quả khảo sát dung lượng hấp phụ 48 Bảng 7. Vị trí lấy mẫu tại xã Tân Triều, huyện Thanh Trì, Hà Nội 51 Bảng 8. Nồng độ As và Fe trong nước ngầm tại làng Triều Khúc, xã Tân Triều, huyện Thanh Trì, Hà Nội 52 Bảng 9. Kết quả khảo sát thực nghiệm xử lý As trong nước ngầm của vật liệu Fe-Z 50 Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HVCH Mai Thế Nam K19 KHMT DANH MỤC HÌNH Hình 1. Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm As trên thế giới 3 Hình 2. Bản đồ ô nhiễm As ở Bănglađét 4 Hình 3. Bản đồ ô nhiễm As ở Mỹ 5 Hình 4. Bản đồ ô nhiễm As ở Việt Nam ( Nguồn: UNICEP) 6 Hình 5. Bản đồ ô nhiễm As tại khu vực Đồng bằng sông Hồng 7 Hình 6. Mô hình diễn giải khả năng ô nhiễm As trong nước ngầm ở đồng bằng 9 Hình 7. Sự tồn tại của As trong môi trường phụ thuộc vào Eh và pH 10 Hình 8. Một số bệnh do nhiễm As 12 Hình 9. Mô tả cấu trúc tứ diện của SiO 4 và AlO 4 , định hướng cấu trúc khung của zeolite (theo Elliot, 2006) 21 Hình 10. Mô tả quá trình tổng hợp thuỷ nhiệt zeolit 25 Hình 11. Sơ đồ chế tạo vật liệu Z từ Tro bay 30 Hình 12. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu Fe-Z 31 Hình 13. Giản đồ XRD của mẫu tro bay ban đầu 36 Hình 14. Giản đồ XRD của vật liệu Z 37 Hình 15. Miêu tả hoạt hóa của kiềm đối với tro bay[14,21,26] 38 Hình 16. Giản đồ XRD của vật liệu Fe-Z 40 Hình 17. Ảnh SEM bề mặt tro bay, zeolite và vật liệu Fe-Z ở kích thước 20µm 41 Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HVCH Mai Thế Nam K19 KHMT Hình 18. Ảnh SEM bề mặt Tro bay, Zeolit và vật liệu Z-Fe ở kích thước 1µm 43 Hình 19. So sánh khả năng hấp phụ As của các vật liệu điều chế được 45 Hình 20. Cấu trúc tinh thể zeolit biến tính Fe sau khi hấp phụ As 46 Hình 21. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc khả năng hấp phụ As của vật liệu vào pH của dung dịch 47 Hình 22. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 49 Hình 23. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 50 Hình 24. Bản đồ vị trí lấy mẫu nước ngầm 51 Hình 25. Hiệu quả hấp phụ As của vật liệu Fe-Z trong nước ngầm theo thời gian 53 Hình 26. Mô hình cột lọc xử lý nước ngầm nhiễm As quy mô hộ gia đình 55 Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HVCH Mai Thế Nam 1 K19 KHMT MỞ ĐẦU Nước là một trong những nhân tố vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của con người. Với sự bùng nổ dân số thế giới, cung cấp nước sạch phục vụ nhu cầu ăn uống và sinh hoạt của con người đang là một vấn đề lớn mà xã hội quan tâm. Trong khi nguồn nước tại các sông, suối, ao, hồ đang ngày càng bị ô nhiễm nặng bởi nước thải sinh hoạt, nước thải từ các nhà máy công nghiệp thì việc sử dụng nguồn nước ngầm như là một giải pháp hữu hiệu. Tuy nhiên trong quá trình khai thác nước ngầm, sự tồn tại của asen trong nước có khả năng gây ra những căn bệnh vô cùng nguy hiểm đe doạ sức khoẻ và tính mạng của con người. Chính vì vậy, nghiên cứu nhằm loại bỏ asen (As) ra khỏi nước ngầm đang là một vấn đề cấp bách và cần được quan tâm nghiên cứu. Để giải quyết vấn đề cấp bách về ô nhiễm As trong nguồn nước và bảo vệ sức khỏe của người dân, các nhà khoa học trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu về phương pháp loại bỏ As. Trong đó có nhiều công trình đã thành công trong việc sử dụng các vật liệu mới như đá ong biến tính, nano cacbon, để xử lý As. Các phương pháp xử lý As đều có những ưu, nhược điểm và hiệu quả xử lý khác nhau, tùy vào điều kiện để lựa chọn phương pháp và công nghệ phù hợp nhất. Trong đó, phương pháp hấp phụ đang được sử dụng rộng rãi vì tính kinh tế và hiệu quả của nó. Tuy nhiên, các vật liệu loại As thương mại đang được bán trên thị trường hiện nay có giá thành khá cao. Và với điều kiện kinh tế hiện tại của đất nước, đại đa số người dân không đủ khả năng chi trả cho nhu cầu sử dụng các vật liệu này. Nhằm góp phần giải quyết vấn đề trên, việc tận dụng các nguồn nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền, các nguồn phế thải (rơm rạ, tro bay, bùn thải,…) để tổng hợp các loại vật liệu hấp phụ có khả năng xử lý As tốt hơn, dễ chế tạo và quan trọng nhất là giá thành rẻ, phù hợp với cả những người dân có thu nhập thấp đang được quan tâm đến. Hiện nay, vật liệu hấp phụ zeolit đang được các nhà khoa học chú ý và đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp zeolit từ các nguồn nguyên liệu khác nhau. Trong đó, tổng hợp zeolit từ tro bay của các nhà máy nhiệt điện có hiệu quả cao, giá Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HVCH Mai Thế Nam 2 K19 KHMT thành chi phí nguyên liệu rẻ, và đồng làm giảm lượng chất thải ra môi trường. Chính vì vậy, việc lựa chọn và thực hiện đề tài luận văn “Nghiên cứu xử lý asen trong nước bằng vật liệu zeolit biến tính bởi sắt được điều chế từ tro bay” không chỉ mở thêm hướng sử dụng hợp lý nguồn tro bay phát thải từ quá trình đốt than tại các nhà máy nhiệt điện, mà còn tạo thêm nguồn vật liệu có khả năng xử lý As trong nước ngầm. Nội dung nghiên cứu bao gồm:  Chế tạo vật liệu zeolit và zeolit biến tính bởi sắt từ tro bay của nhà máy nhiệt điện Phả Lại, tỉnh Hải Dương;  Khảo sát các yếu tố (thời gian, pH, dung lượng hấp phụ cực đại) ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ As của vật liệu hấp phụ đã điều chế;  Thử nghiệm khả năng xử lý As có trong mẫu nước ngầm thực tế lấy tại làng Triều Khúc, xã Tân Triều, huyện Thanh Trì, Hà Nội trên vật liệu điều chế được;  Đề xuất mô hình xử lý As trong nước ngầm quy mô hộ gia đình. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HVCH Mai Thế Nam 3 K19 KHMT CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về asen 1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm trên Thế giới và tại Việt Nam a) Trên Thế giới Ô nhiễm As trong nước ngầm đã được phát hiện từ những năm đầu của thập niên 80 của thế kỷ 20 khi hàm lượng As trong nước khai thác >50 µg/L. Hiện nay, trên thế giới có hàng chục triệu người đã bị bệnh đen và rụng móng chân, sừng hoá da, ung thư da… do sử dụng nguồn nước sinh hoạt có nồng độ As cao. Nhiều nước và vùng lãnh thổ đã phát hiện hàm lượng As rất cao trong nguồn nước sinh hoạt như Canada, Chile, Ác-hen-ti-na, Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Bănglađét Sự có mặt của As ở các vùng khác nhau trên thế giới được thể hiện trên bản đồ phân bố Hình 1. Hình 1. Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen trên thế giới Khu vực nhiễm As nghiêm trọng nhất là vùng đồng bằng châu thổ sông Ganges nằm giữa Tây Bengal của Ấn Độ và Bănglađét [16]. Ở Tây Bengal, trên 40 triệu người có nguy cơ nhiễm độc As do sống trong các khu vực có nồng độ As cao. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HVCH Mai Thế Nam 4 K19 KHMT Tới nay đã có 0,2 triệu người bị nhiễm và nồng độ As tối đa trong nước cao gấp 370 lần nồng độ cho phép của WHO. Băngladesh là nơi nhiễm As nghiêm trọng nhất được phát hiện, có đến 95% dân số sử dụng nước ngầm làm nguồn nước chính để ăn uống và sinh hoạt. Phần lớn các giếng nước ngầm tại Bangladesh được xây dựng từ giữa những năm 1980, nhưng đến mãi những năm 1990 vấn đề ô nhiễm As trên diện rộng mới được phát hiện. Thử nghiệm trên 8000 giếng khoan ở 60/64 tỉnh trong cả nước thấy có 51% số mẫu nước có hàm lượng As vượt quá 50µg/L (gấp 5 lần so với tiêu chuẩn của WHO). Hình 2. Bản đồ ô nhiễm asen ở Bănglađét [...]... zeolit từ tro bay  Điều chế vật liệu zeolit từ tro bay Quy trình chế tạo vật liệu zeolit (vật liệu Z) từ tro bay, được thực hiện theo công trình nghiên cứu đã được công bố của tác giả Adriana Medina và các cộng sự, thể hiện trên Hình 11 Tro bay Dung dịch KOH Khuấy Nung Nước cất Khuấy giai đoạn 1 Khuấy giai đoạn 2 Gạn rửa Sấy khô Vật liệu Z Hình 11 Sơ đồ chế tạo vật liệu Z từ Tro bay HVCH Mai Thế Nam 30... như asenic Có thể đưa laterit trực tiếp vào nước cần xử lý như một chất hấp phụ, sau đó lắng hoặc có thể sử dụng như vật liệu hấp phụ trong bể lọc Hấp phụ lên vật liệu có thành phần là sắt: Mạt sắt (sắt kim loại), sắt hiđrôxit, các vật liệu phủ sắt, oxit sắt là những vật liệu được sử dụng cho quá trình hấp phụ As từ nước ngầm Quá trình loại bỏ As bằng cách hấp phụ lên mạt sắt kim loại đã được nghiên cứu. .. trên Zeolit biến tính bởi Fe được thực hiện nhiều nhất bởi độc tính của As và ảnh hưởng của nó đến người dân nhiều nước trên thế giới Vật liệu này có thể kết hợp với các loại vật liệu khác để tăng tính hiệu quả trong xử lý asen trong nước Điều này mở ra hướng sử dụng hợp lý nguồn tro bay phát thải để chế tạo vật liệu mới với chi phí thấp trong xử lý môi trường HVCH Mai Thế Nam 28 K19 KHMT Luận văn thạc... trình biến tính Fe (II) nano dạng hạt cũng được sử dụng để biến tính kaolinit và zeolite để tăng cường hấp phụ As (V) Có nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để đánh giá sự hấp phụ As (III) và As(V) của zeolit biến tính với Fe (III), tỉ lệ ban đầu của Fe (III) được sử dụng để biến tính zeolit thay đổi từ 0,02 mol/kg đến 4 mol/kg pH dung dịch khi thực hiện biến tính Fe thay đổi từ pH3,6 đến pH10, trong. .. trong nước ngầm Việc nghiên cứu loại bỏ As trong nước đã được thực hiện và áp dụng vào thực tế ở Việt Nam cũng như trên thế giới So sánh một số công nghệ xử lý As được trình bày trong Bảng 1 [18] Bảng 1 So sánh một số công nghệ xử lý asen Công Ưu điểm nghệ xử lý Nhược điểm Oxi hoá/kết tủa Oxi hoá bằng oxi không khí Oxi hoá Đơn giản, chi phí thấp nhưng tốc độ phản ứng chậm, xử lý cục bộ, đồng thời với... PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu  Vật liệu Tro bay được lấy sau hệ thống lọc bụi tĩnh điện của Nhà máy nhiệt điện Phả Lại, huyện Chí Linh, tỉnh Hải Dương Thành phần của tro bay khô của nhà máy nhiệt điện Phả Lại được trình bày trong Bảng 2 [5] Bảng 2 Thành phần khối lượng tro bay khô của nhà máy nhiệt điện Phả Lại Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O % 53,2 24,2 6,38 2,17 0,44  Vật liệu zeolit. .. động từ nhiệt độ phòng đến 1500C Zhaohui Li (2011) và các cộng sự đã biến tính zeolit clinoptilolite với Fe(III) để hấp phụ As cho kết quả rất tốt Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu này với As(III) là 100 mg/kg và với As(V) là 50 mg/kg Elvis Anup Shukla (2013) và các cộng sự đã chế tạo vật liệu hấp phụ As(III) là zeolit biến tính bằng sắt nhân tạo tổng hợp từ tro bay Dung dịch Fe sử dụng để biến tính. .. hấp phụ bằng cacbon hoạt tính dạng hạt với nước có nồng độ As 100-180ppb, sau khi xử lý nước có thể đạt đến 10ppb Hấp phụ trên vật liệu có thành phần là mangan điôxit: Cơ chế loại bỏ As trên vật liệu có thành phần là MnO2 bước đầu đã được nghiên cứu trên các tinh thể MnO2 tổng hợp trong phòng thí nghiệm.Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học Công nghệ đã khảo sát khả năng hấp phụ As của các vật liệu có... điều kiện già hoá gel, điều kiện kết tinh (nhiệt độ, thời gian, áp suất, độ kiềm,…) HVCH Mai Thế Nam 25 K19 KHMT Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 1.3.3 Vật liệu zeolit biến tính bởi Fe Một số lượng lớn các nghiên cứu đã được tiến hành để nghiên cứu về cơ chế hấp phụ As bởi các khoáng sét, oxit kim loại, Cả hai loại zeolit tự nhiên và tổng hợp đã được nghiên cứu để hấp phụ của As Clinoptilolite... zeolit biến tính bởi Fe được điều chế từ tro bay;  Mẫu dung dịch chứa As (III) với các nồng độ khác nhau được pha chế trong phòng thí nghiệm từ muối Na2HAsO4.7H2O (cân 4,16g Na2HAsO4.7H2O , hòa tan và định mức đến 1000 mL);  Nước ngầm ô nhiễm As lấy tại giếng khoan của một số gia đình tại làng Triều Khúc, xã Tân Triều, huyện Thanh Trì, Hà Nội 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu . nguyên liệu rẻ, và đồng làm giảm lượng chất thải ra môi trường. Chính vì vậy, việc lựa chọn và thực hiện đề tài luận văn Nghiên cứu xử lý asen trong nước bằng vật liệu zeolit biến tính bởi sắt được. Tổng quan về vật liệu zeolit biến tính bởi Fe 18 1.3.1. Tro bay 18 1.3.2. Zeolit 19 1.3.3. Vật liệu zeolit biến tính bởi Fe 26 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1. . quan về asen 3 1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm trên Thế giới và tại Việt Nam 3 1.1.2. Ảnh hưởng của asen trong nước ngầm 7 1.2. Các biện pháp xử lý asen trong nước ngầm