Báo cáo khoa học vật liệu nano Fe2O3.TiO2 xử lý As trong nước thải

Phương pháp xử lý As trong nước thải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE

Fe2O3.TiO2 ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC

Lớp, Khóa: Kỹ thuật Môi trường K56 Năm thứ 3 /Số năm đào tạo: 5 nămNgành học: Kỹ thuật Môi trường

Khoa: Môi trường

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Nam

Hà Nội, 04/2014

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo

TS Nguyễn Hoàng Nam đã giao đề tài và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong quá trình nghiên cứu Nhóm nghiên cứu cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới nhà trường cùng toàn thể các thầy cô trong hội đồng khoa học đã nhiệt tình giúp đỡ, cho chúng em những kiến thức và những đóng góp ý kiến quý báu Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong phòng thí nghiệm Hóa Vô Cơ đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn chúng

em trong suốt thời gian làm nghiên cứu

Cảm ơn các phòng thí nghiệm Bộ môn hóa – Trường Đại học Mỏ - Địa Chất đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng em và các bạn sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm Hóa Vô Cơ đã giúp chúng tôi trong quá trình tìm tài liệu và làm thực nghiệm

Chúng em cũng xin được cảm ơn những lời động viên, khuyến khích và những tình cảm tốt đẹp của những người thân trong gia đình, bạn bè đã dành cho chúng em

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm nghiên cứu:

Nguyễn Thị Vân AnhHoàng Nguyễn Bích PhượngNguyễn Quang Huy

Phạm Trung Kiên

MỤC LỤC

3

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC HÌNH

5

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ô nhiễm môi trường nước đang là vấn đề không chỉ của Việt Nam mà là vấn đề mang tính toàn cầu Nguồn nước trên toàn thế giới đang bị ô nhiễm trầm trọng bởi các hoạt động sản xuất và sinh hoạt hàng ngày của con người Trong đó, nguồn nước ngầm đang bị đe dọa nghiêm trọng bởi việc ô nhiễm các kim loại nặng như : Fe, Pb, Mn,…

và đặc biệt nguy hiểm là Asen

Asen (còn gọi là thạch tín) được coi là chất có độc tính bảng A không chỉ do tính độc hại lớn mà còn do khả năng tích lũy cao trong cơ thể, xâm nhập vào cơ thể bằng tất cả các con đường: hít thở, ăn uống và thẩm thấu qua da Trong đó, uống nước

bị nhiễm là con đường chính để asen xâm nhập vào cơ thể Người sử dụng nước bị nhiễm asen ở nồng độ cao lâu dài cho ăn uống có thể bị ung thư các cơ quan nội tạng cũng như các bệnh liên quan đến hệ thần kinh, hô hấp, đường tiêu hoá, cơ, xương khớp, da,

Ở Việt Nam, có rất nhiều vùng bị nhiễm asen, đặc biệt ở khu vực đồng bằng Bắc Bộ Tuy nhiên, vấn đề ô nhiễm Asen trong nguồn nước chưa được quan tâm một cách đúng mức hay chưa có biện pháp triệt để để loại bỏ chất độc hại này ra khỏi nước Theo đánh giá của WHO, khoảng trên 15 triệu người Việt Nam (gần 1/5 dân số)

có thể phải đối mặt với nguy cơ tiềm tàng về nhiễm độc asen do sử dụng các nguồn nước ô nhiễm không được xử lý triệt để

Hiện nay có rất nhiều hướng phương pháp xử lý nước nhiễm Asen được đưa ra Một trong những phương pháp đang được các nhà khoa học quan tâm là ứng dụng các vật liệu nano (nano materials) vào xử lý nước ô nhiễm, đặc biệt là nước nhiễm Asen Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thước nano Vật liệu nano có khe hở các phân tử đạt đến nanomet từ đó có khả năng xử lí các chất ô nhiễm

có trong nước như: Asen, kẽm, mangan…mà vẫn giữ được các thành phần cơ bản trong nước Các nghiên cứu này cho đến nay đã và đang được tiến hành trên thế giới nhưng tiềm năng của chúng vẫn chưa được khai thác hết, đặc biệt ở Việt Nam việc xử

Trên cơ sở đó, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite Fe2O3.TiO2 để xử lí Asen trong nước”

7

1 CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN1.1 Tổng quan về Asen

Asen hay còn gọi là thạch tín, một nguyên tố hóa học có ký hiệu As và số nguyên tử 33 Asen lần đầu tiên được Albertus Magnus (Đức) viết về nó vào năm

1250 Khối lượng nguyên tử của nó bằng 74,92 Vị trí của nó trong bảng tuần hoàn được đề cập ở bảng mé bên phải Asen là một á kim gây ngộ độc khét tiếng và có nhiều dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim) và một vài dạng màu đen và xám (á kim) chỉ là số ít mà người ta có thể nhìn thấy Ba dạng có tính kim loại của asen với cấu trúc tinh thể khác nhau cũng được tìm thấy trong tự nhiên (các khoáng vật asen sensu stricto và hiếm hơn là asenolamprit cùng parasenolamprit), nhưng nói chung nó hay tồn tại dưới dạng các hợp chất asenua và asenat Vài trăm loại khoáng vật như thế

đã được biết tới Asen và các hợp chất của nó được sử dụng như là thuốc trừ dịch hại,

thuốc trừ cỏ, thuốc trừ sâu và trong một loạt các hợp kim

Trạng thái ôxi hóa phổ biến nhất của nó là -3 (asenua: thông thường trong các hợp chất liên kim loại tương tự như hợp kim), +3 (asenat (III) hay asenit và phần lớn các hợp chất asen hữu cơ), +5 (asenat (V): phần lớn các hợp chất vô cơ chứa ôxy của asen ổn định) Asen cũng dễ tự liên kết với chính nó, chẳng hạn tạo thành các cặp As-

As trong sulfua đỏ hùng hoàng (α-As4S4) và các ion As43- vuông trong khoáng coban asenua có tên skutterudit Ở trạng thái ôxi hóa +3, tính chất hóa học lập thể của asen chịu ảnh hưởng bởi sự có mặt của cặp electron không liên kết

Hình 1.: Hình ảnh Asen

1.2 Tổng quan hiện trạng nhiễm độc Asen trong nước ngầm trên thế giới và ở Việt Nam

1.2.1 Hiện trạng nhiễm độc Asen trong nước ngầm trên thế giới

Asen trong nước ngầm có nguồn gốc tự nhiên và nó được giải phóng ra từ trầm tích vào nước ngầm do các điều kiện thiếu ôxy của lớp đất gần bề mặt Nhiễm độc asen trong nước ngầm, được xem là một cuộc khủng hoảng môi trường chưa từng có trong lịch sử thế giới hiện đại Ô nhiễm asen theo diện rộng đã gây ngộ độc đến số lượng lớn dân chúng Một nghiên cứu năm 2007 cho thấy có trên 137.000.000 người ở hơn 70 quốc gia có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễm độc asen trong nước ăn uống điển hình là: Ấn Độ, Đài Loan, Achentina, Trung Quốc, Mehico, Thái Lan, Chile, Bangladesh,

Mỹ, Campuchia, Việt Nam… Năm 2002 các nhà khoa học viện Công nghệ Massachusetts đã dự đoán trên toàn thế giới có khoảng 1,2 triệu trường hợp tăng sắc tố

da, 600.000 trường hợp mắc chứng dày biểu bì và sừng hóa da, 125.000 trường hợp

9

ung thư da và 3.000 người chết mỗi năm do ung thư các cơ quan nội tạng liên quan đến việc ăn uống nước có chứa hàm lượng asen cao.

Hình 1.: Bản đồ các vùng nhiễm độc Asen trên thế giới

1.2.2 Hiện trạng nhiễm độc Asen trong nước ngầm ở Việt Nam

Do cấu tạo địa chất, nhiều vùng ở nước ta nước ngầm bị nhiễm Asen Khoảng 13,5% dân số Việt Nam (10 - 15 triệu người) đang sử dụng nước ăn từ nước giếng khoan nên nguy cơ bị nhiễm Asen là rất cao Theo thống kê chưa đầy đủ, cả nước hiện

có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó nhiều giếng có nồng độ Asen cao hơn từ 20-50 lần nồng độ cho phép (0.01mg/l) ảnh hưởng xấu tới sức khỏe và tính mạng cộng đồng

Hình 1.: Bản đồ các khu vực nhiễm độc Asen ở Việt NamTại châu thổ sông Hồng, những vùng bị nhiễm nghiêm trọng nhất là phía nam

Hà Nội, Hà Nam, Hà Tây, Hưng Yên, Nam Định,… Ở Đồng Bằng Sông Cửu Long, cũng phát hiện nhiều giếng khoan có nồng độ Asen cao nằm ở Đồng Tháp và An Giang

Tại tỉnh Thanh Hóa đã khảo sát phân tích Asen trong nước của 201 lỗ khoan nông tại các huyện Hoằng Hóa, Nông Cống, Thiệu Hóa Đa số các lỗ khoan có hàm lượng Asen nhỏ hơn 0.05mg/l Chỉ có 11 giếng khoan ở Thiệu Nguyên, huyện Thiệu Hóa có Asen lớn hơn 0.05mg/l, cao nhất đạt 0.1mg/l (4 giếng khoan)

Tại Quảng Ninh đã phân tích Asen trong nước của 175 giếng khoan nông tại các huyện Đông Triều, thành phố Hạ Long, thị xã Uông Bí, huyện Hưng Yên Tất cả

175 mẫu đều có hàm lượng Asen nhỏ hơn 0.05mg/l

Tại Hà Tây chỉ có 01 kết quả Asen trong nước lỗ khoan nông có hàm lượng Asen lớn hơn 0.05mg/l

Tại Hà Nội, theo kết quả phân tích của văn phòng đại diện UNICEF tại Hà Nội

và trung tâm nước sinh hoạt và vệ sinh môi trường nông thôn trung ương 6 tháng đầu

11

năm 1999 cho thấy mẫu nước của 351 trong tổng số 519 giếng khoan ở Quỳnh Lôi (Hà Nội) được phân tích thì có 25% số mẫu có hàm lượng Asen vượt tiêu chẩn cho phép của Việt Nam và tính theo tiêu chuẩn của tổ chức y tế thế giới (WHO là 0.01mg/l) thì có tới 68% vượt tiêu chuẩn cho phép.

Trong vùng nội và ngoại thành Hà Nội, nước ngầm cũng được khai thác để sử dụng cho quy mô nhỏ - khu tập thể hoặc các hộ gia đình Một số nơi ở Hà Nội sử dụng nước giếng khoan để khai thác và làm nước sinh hoạt gây nguy cơ cao về việc nhiễm asen trong nước.Những gia đình sử dụng giếng khoan qua hệ thống xử lý đơn giản tại gia đình (tỷ lệ nhiễm As khoảng 5%) hoặc không qua xử lý (nhiễm 26%)

Theo khảo sát ,khu vực nội thành ở Hà Nội có 32% số mẫu bị nhiễm asen, các khu vực khác như Đông Anh 13%, Gia Lâm 26,5%, Thanh Trì 54%, Từ Liêm 21%

Địa điểm Số lượng mẫu đo Nồng độ trung bình

(µg/l)

Khoảng nồng độ (µg/l)

43 lần mức cho phép của Bộ Y Tế

Hình 1.: Mức độ nhiễm Asen trong tầng nước ngầm kỉ Pleistocene dưới độ sâu trên 50

m ở miền Bắc và Hà NộiNước ngầm có hàm lượng asen cao do sự oxy hóa asenopyrit, pirit trong các tầng sét và lớp kẹp than bùn trong bồi tích cũng như giải phóng asen ở dạng hấp thụ khi khử keo, sau khi đã qua xét nghiệm thấy nước cấp từ các nhà máy Hạ Đình, Pháp Vân, Yên Phụ có lượng asen vượt mức cho phép tương đối rõ, đều cao hơn tỉ lệ 0,01 mg/l Tám nhà máy cấp nước tại Hà Nội như: Mai Dịch, Ngọc Hà, Yên Phụ, Ngô Sỹ Liên, Lương Yên, Hạ Đình, Tương Mai, Pháp Vân kết quả sau khi khảo sát năm 1999 đều cho thấy hàm lượng asen vượt quá tiêu chuẩn cho phép đối với nước chưa qua xử

lý và nước đã qua xử lý

1.3 Tổng quan ảnh hưởng của Asen lên sức khỏe con người

Để hiểu hết được những tác hại khi nguồn nước ngầm bị nhiễm Asen, chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu những tác hại của Asen lên cơ thể con người

Asen là một chất rất độc Có thể chết ngay nếu uống một lượng bằng nửa hạt ngô (bắp) Asen xâm nhập vào con người qua con đường nước uống, không khí trong vùng ô nhiễm, Asen vào trong cơ thể người thường tích tụ trong não, các mô da, móng

13

tay, tóc, răng và trong các bộ phận giàu biểu mô như: niêm mạc, vòm miệng, dạ dày, ruột non gây nhiễm độc cấp tính cao Nồng độ Asen cao trong nguồn nước khi uống vào có thể gây ngộ độc cấp tính, ung thư, hoặc có thể chết ngay Khi sử dụng nguồn nước nhiễm Asen ( một lượng nhỏ) cũng ảnh hưởng đến thai nhi; gây ra những bệnh phổi ác tính, tác động xấu đến sự phát triển trí tuệ của trẻ em.

Asen xâm nhập vào cơ thể người qua hai con đường chính là: con đường ăn uống trong sinh hoạt hằng ngày và con đường không khí qua đường thở Sự xâm nhập Asen qua con đường ăn uống là nguy hiểm nhất do mức độ sử dụng nước trong sinh hoạt thường ngày là khá cao

Do đặc tính Asen tích lũy sinh học trong cơ thể-khó có thể bị đào thải ra ngoài Khi bị nhiễm độc Asen với liều lượng nhỏ (nhỏ hơn 0,01mg/l) nhưng tiếp xúc trong thời gian dài thì lượng tích tụ có thể biểu hiện thành những bệnh:

Tích tụ từ 1-5 năm: Mệt mỏi, buồn nôn, hồng cầu và bạch cầu giảm, rối loạn nhịp tim, thay đổi sắc tố da

Từ 5-10 năm: Da trở nên bị sừng hóa, mạch máu bị tổn thương, ảnh hưởng đến thai nhi

Từ 10-15 năm: Ung thư da, ung thư gan, ung thư phổi, ung thư bang quang, ung thư thận, và nguy hại đến hệ thống thần kinh

Hình 1.: Ung thư da đầu do nhiễm Asen

1.4 Tổng quan một số phương pháp xử lý Asen

Nước ngầm chứa Asen có thể được loại bỏ bằng rất nhiều các phương pháp khác nhau.Việc lựa chọn phương pháp phù hợp, hiệu quả nhất phụ thuộc vào điều kiện của từng khu vực.Bên cạnh các phương pháp xử lý thông thường các phương pháp sinh học cũng như các phương pháp kết hợp rất được chú trọng cho việc xử lý, ví dụ kết hợp giữa hóa học và sinh học, đặc biệt khi nguồn tài chính hạn hẹp

1.4.1 Phương pháp sinh học - Loại bỏ Asen bằng vi khuẩn

Hoạt động của vi khuẩn có thể đóng vai trò quan trọng như 1 chất xúc tác trong rất nhiều quá trình dùng để loại bỏ asen nhưng phương pháp sinh học này lại rất ít được biết đến (Johnston et al 2001)

Gần đây phương pháp này đã được cải tiến như 1 phương pháp thay thế cho việc loại bỏ asen Những nghiên cứu qui mô nhỏ cho thấy rằng điều kiện tối ưu của

pH, nhiệt độ và oxy cho phép quá trình lọc sinh học và quá trình loại bỏ đồng thời cả

15

Asen (III) và sắt Những thông số quan trọng là nồng độ ban đầu của sắt Ở nồng độ cao, hiệu quả loại bỏ asen đạt >90% và ở nồng độ thấp, hiệu quả loại bỏ chủ đạt khoảng 40% Đối với hệ thống nước có nồng độ sắt thấp, việc cho thêm sắt (II) sunfat

có thể loại bỏ hoàn toàn Asen Việc cố định As (III) trong sắt oxit thực hiện bởi hoạt động của vi khuẩn

Phương pháp lọc sinh học trong việc xử lí asen có thể áp dụng thích hợp cho bất kì hệ thống nước ngầm nào bằng quá trình oxy hóa sắt của vi khuẩn (Lehimas et al 1992) Phương pháp lọc sử dụng vi khuẩn để loại bỏ asen cũng đang được phát triển (Deheyn, Bencheikh-Latmani et al 2004, Katsoyiannis, Zouboulis et al 2004) Trong khi những công nghệ này có hiệu quả đối với qui mô nghiên cứu phòng thí nghiệm và nghiên cứu thí điểm

1.4.2 Phương pháp hóa học

• Keo tụ - Kết tủa:

Cộng kết tủa - lắng - lọc đồng thời với quá trình xử lý sắt 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 hydroxyt sắt và mangan kết tủa As (III) được oxy hóa đồng thời thành As (V), có khả năng hấp phụ lên bề mặt của các bông keo tụ Hydroxyt sắt hay Mangan tạo thành và lắng xuống đáy bể, hay hấp phụ và bị giữ lại lên bề mặt hạt cát trong bể lọc

• Keo tụ bằng hóa chất:

- Phương pháp keo tụ đơn giản nhất là sử dụng vôi sống (CaO) hoặc vôi tôi (Ca(OH)2) để khử Asen Hiệu suất đạt khoảng 40 - 70 % Keo tụ bằng vôi đạt hiệu suất cao với pH trên 10,5 cho phép đạt hiệu suất khử Asen cao, với nồng độ Asen ban đầu khoảng 50 µg/l Có thể sử dụng để khử Asen kết hợp với làm mềm nước Tuy vậy, phương pháp này khó cho phép đạt được nồng độ Asen trong nước sau xử lý xuống tới

10 mg/l Một hạn chế của phương pháp sử dụng vôi là tạo ra một lượng cặn lớn sau xử lý

- Ngoài ra còn có thể dùng phương pháp keo tụ, kết tủa bằng Sunfat nhôm hay Clorua sắt

Oxi hóa bằng các chất oxi 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

Oxi quang hóa: Chất oxy hóa có thể là oxy tinh khiết hoặc sục khí Chất hấp phụ quang hóa có thể là Fe(II), Fe(III), Ca(II) Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia cực tím Phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ trong phòng và ánh sáng thấp, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp Do As(III) bị oxy hóa thành As(V) với tốc độ rất chậm, có thể sử dụng các chất oxy hóa mạnh như Cl2, H2O2 hoặc O3 Phần lớn chi phí

xử lý chính là các chất oxy hóa này

• Hấp phụ

Hấp phụ bằng nhôm hoạt hóa: Nhôm hoạt hóa được sử dụng có hiệu quả để xử

lý nước có hàm lượng chất rắn hòa tan cao Tuy nhiên, nếu trong nước có các hợp chất của selen, florua, clorua, Sunffat với hàm lượng cao, chúng có thể cạnh tranh hấp phụ Nhôm hoạt hóa có tính lựa chọn cao đối với As(V), vì vậy mỗi lần xử lý có thể giảm tới 5 - 10 % khả năng hấp phụ Cần hoàn nguyên và thay thế vật liệu lọc khi sử dụng Chọn nhôm hoạt hóa làm vật liệu hấp phụ, dựa trên đặc tính lựa chọn và công suất hấp phụ cao đối với asen, khả năng hoàn nguyên, nguồn cung cấp sẵn có và bỏ qua được yêu cầu sử dụng hóa chất

Hấp phụ bằng oxit nhôm hoạt hóa: loại vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ nhôm,

có khả năng tách Asen ở 2 dạng tồn tại phổ biến ở trong nước là As (III) và As(V) Vật liệu hấp phụ này có đặc tính hóa học, diện tích bề mặt và độ rỗng cao, có khả năng hấp phụ cao hơn 10 lần so với các vật liệu thông thường khi có mặt các Ion cạnh tranh

Hấp phụ bằng vật liệu Laterite: Laterite là loại đất axit có màu đỏ, rất phổ biến

ở các vùng nhiệt đới Thành phần chủ yếu của Laterite là các hydroxyt sắt và nhôm, hoặc các oxit ngậm nước của chúng, và một lượng nhỏ các hợp chất của Mangan,

17

Titan Ở điều kiện tự nhiên, loại đất sét này có điện tích bề mặt dương, có khả năng hấp phụ các chất bẩn mang điện tích âm như Asenic Có thể đưa laterite trực tiếp vào nước cần xử lý như chất hấp phụ, sau đó để lắng, hoặc có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ trong bể lọc

Ngoài ra, còn nhiều vật liệu hấp phụ khác đã và đang được nghiên cứu ứng dụng để loại bỏ Asen trong nước ngầm Sử dụng viên sắt có chứa Clo, sử dụng mạt sắt kết hợp với cát, hydroxyt sắt, kết hợp phương pháp oxi hóa, hấp phụ - lọc với trồng cây hay oxi hóa với lọc cát và trồng cây Một số loài thực vật như thủy trúc (Cyperus Alternifolius hay cây Thalia dealbata) hoặc khoai nước Colocasia Esculenta cũng cho hiệu suất loại bỏ Asen khỏi nước

• Trao đổi Ion

Đây là quá trình trao đổi giữa các ion trong pha rắn và pha lỏng, mà không làm thay đổi cấu trúc của chất rắn Có thể loại bỏ các ion Asenat (As (V)) trong nước bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-) Loại vật liệu trao đổi ion này có ưu điểm là có thể sử dụng dung dịch muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi ion đã bão hòa Asen Nồng độ Asen sau xử lý có thể hạ thấp tới dưới 2 ppb Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tương đối phức tạp, ít có khả năng áp dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ

1.4.3 Phương pháp xử lí Asen bằng vật liệu nano composite

Đây là công nghệ dùng màng lọc, có khe lọc kích thước 1nanomet được phát triển đầu tiên bởi các công ty của Mỹ (Zenon, Vontron Dow) Do sử dụng màng lọc có khe hở nhỏ, cho nên nó có thể dễ dàng loại bỏ được 100% vi khuẩn, vi rút Đối với các ion kim loại, tỷ lệ loại bỏ đạt khoảng 40, 50% hoặc 90% (kể cả canxi, magie, và các kim loại nặng) Màng Nano được dùng trong các nhà máy sản xuất nước đóng bình, trong các khu vực nước nợ, và cung cấp nước sạch sinh hoạt Ưu điểm của màng Nano

là áp lực thẩm thấu thấp hơn nhiều so với màng R/O, cho nên tiết kiệm năng lượng

Khả năng lọc của công nghệ màng Nano được minh họa theo hình dưới đây:

Hình 1.: So sánh các công nghệ lọc

• Nano TiO 2

TiO2 là chất có hoạt tính quang hoá Hệ TiO2 + UV đã được ứng dụng trong xử

lý các chất thải do có tính ôxy hoá mạnh Khả năng ôxy hoá As(III) của hệ này cũng

đã được nghiên cứu Cơ chế của phản ứng được đưa ra như sau:

Hình 1.: Cơ chế của nano TiO2

UV có khả năng ôxy hoá As(III) nhưng phản ứng xảy ra rất chậm Với sự có mặt của TiO2, phản ứng xảy ra hoàn toàn trong vài phút Các nghiên cứu cũng cho thấy rằng phản ứng có bậc một đối với nồng độ As(III) và tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào pH trong khoảng từ 5 đến 9

Khi được chiếu ánh sáng, nano TiO2 trở thành một chất oxy hoá khử mạnh nhất trong số những chất đã biết (gấp 1,5 lần ozôn, gấp hơn 2 lần clo - là những chất thông dụng vẫn được dùng trong xử lý môi trường) Nano TiO2 có thể phân huỷ được các chất độc hại bền vững như điôxin, thuốc trừ sâu, benzen… cũng như một số loại virus, vi khuẩn gây bệnh với hiệu suất cao hơn so với các phương pháp khác Dưới tác dụng của ánh sáng, nano TiO2 trở nên kỵ nước hay ái nước tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo Khả năng này được ứng dụng để tạo ra các bề mặt tự tẩy rửa không cần hoá chất và tác động cơ học hoặc các thiết bị làm lạnh không cần điện Khả năng quang xúc tác mạnh của nano TiO2 còn đang được nghiên cứu ứng dụng trong pin nhiên liệu và xử lý CO2 gây hiệu ứng nhà kính

- Vật liệu TiO2 kích thước nano có hoạt tính quang xúc tác cao, có thể ứng dụng tốt trong các lĩnh vực xử lý môi trường để phân hủy các hợp chất hữu cơ bền trong môi trường nước và khí

- Nano TiO2 kháng khuẩn bằng cơ chế phân huỷ, tác động vào vi sinh vật như phân huỷ một hợp chất hữu cơ Vì vậy, nó tránh được hiện tượng “nhờn thuốc” và là một công cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen của vi sinh vật gây bệnh

- Nano TiO2 hoạt động theo cơ chế xúc tác nên bản thân không bị tiêu hao, nghĩa là đầu tư một lần và sử dụng lâu dài

- Bản thân nano TiO2 không độc hại, sản phẩm của sự phân huỷ chất này cũng

an toàn

Những đặc tính này tạo cho nano TiO2 những lợi thế vượt trội về hiệu quả kinh

tế và kỹ thuật trong việc làm sạch môi trường nước và không khí khỏi các tác nhân ô nhiễm hữu cơ, vô cơ và sinh học

Fe2O3 nano được biết như là 1 vật liệu hấp phụ, có vai trò quan trọng trong việc loại bỏ Asen bằng cách hấp phụ trên bề mặt vật liệu, nhưng theo thời gian mức độ hấp phụ của vật liệu sẽ giảm đi cần phải thay mới nên tốn nhiều kinh phí, khó có thể sử dụng lâu dài.

1.5 Các phương pháp phân tích Asen

1.1.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis

Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis (hay còn gọi là phân tích trắc quang) là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong các phương pháp phân tích hóa lý Phương pháp này giúp định lượng nhanh chóng với độ nhạy và độ chính xác khá cao, đồng thời là một phương pháp đơn giản, thông dụng

Phân tích trắc quang là tên gọi chung của các phương pháp phân tích quang học dựa trên sự tương tác chọn lọc giữa chất cần xác định với năng lượng bức xạ Nguyên tắc của phương pháp trắc quang là dựa vào lượng ánh sáng đã bị hấp thụ bởi chất hấp thu để tính hàm lượng của chất hấp thu

a Phương pháp dùng thuốc thử bạc Đietylđithiocacbamat (AgDDC)

Nguyên tắc: Dùng hiđro mới sinh (Zn hạt trong HCl hoặc NaBH4) khử các hợp chất của Asen trong dung dịch thành AsH3, tiếp tục dẫn AsH3 vào ống hấp thụ chứa bạc đietylđithiocacbamat trong pyridin hay clorofom để tạo phức màu đỏ, sau đó tiến hành đo độ hấp thụ quang ở bước sóng ở λ= 520nm

1.5.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Nguyên tắc: Phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố được gọi là phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (phép đo AAS) Dựa vào tác dụng của nguồn nhiệt các chất bị hóa hơi và phân ly thành các nguyên tử, đa số các nguyên tử ở trạng thái cơ bản ở trạng thái cơ bản các nguyên tử hấp thụ chọn lọc các bức xạ do nó phát ra, đặc biệt là bức xạ cộng hưởng Cho nguồn cộng hưởng đi qua đám mây nguyên tử của nguyên tố cần phân tích, cường độ của nguồn bị giảm đi

Cường độ hấp phụ:

21

A = Log(Io/I)Trong đó:

A: Cường độ hấp phụ

Io: cường độ ánh sáng vào

I: Cường độ ánh sáng ra

Ưu điểm:

- Xác định được hàm lượng vết, kiểm tra độ tinh khiết của hóa chất

- Không cần làm giàu mẫu trong quá trình phân tích

- Có độ nhạy và độ chọn lọc cao (hàm lượng: ppb)

a Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật hyđrua hoá (HVG - AAS)

Nguyên tắc: Khử As(V) về As(III) bằng KI, axit ascorbic sau đó phản ứng với NaBH4 trong môi trường axit để tạo thành hợp chất AsH3 và được dẫn tới cuvet chữ T

để nguyên tử hóa và đo phổ hấp thụ của Asen

1.6 Phương pháp cấu trúc hạt nano

1.1.1 Transmission electron microscopy (TEM)

Nguyên tắc: TEM là phương pháp phân tích vật lý sử dụng tia electron xuyên thấu qua bề mặt mỏng của mẫu thử và thu lại hình ảnh của các electron xuyên thấu trên thiết bị thu nhận hình ảnh (detector) như màn huỳnh quang, film ảnh hoặc CCD camera sensor TEM cung cấp những hình ảnh phân giải cao hơn kính hiển vi quang học nhờ vào các bước sóng de Broglie của electron

Khả năng phóng đại của hình ảnh TEM phụ thuộc vào sự tương tác của electron với vật liệu, độ dày và cấu trúc cuả vật liệu Theo yêu cầu của các phép phân tích chuyên sâu, ở mức phóng đại lớn, cường độ phóng đại hình ảnh được quy định bởi sự tương tác sóng phức hợp Sử dụng các chế độ xen kẽ cho phép TEM quan sát được sự biến điệu trong hóa chất đồng nhất, sự định hướng của tinh thể, cấu trúc electron,

1.6.1 Structural electron microscopy (SEM)

Nguyên tắc: SEM là một trong các loại kính hiển vi điện tử trong các phương pháp phân tích vật lý hiện đại, phương pháp này sử dụng các chùm tia electron năng lượng cao tương tác với các electron trên bề mặt mẫu vật từ đó sản sinh ra các electron thứ cấp, electron tán xạ phản hồi, tia X đặc trưng Các electron phản hồi này được ghi nhận lại cho biết các thông tin về bề mặt và thành phần mẫu Tia electron thường được quét trên mành mẫu và thiết bị thường được tích hợp detecter để tạo ra hình ảnh quét Ảnh SEM đầu tiên được Max Knoll thu được cho thấy những luồng electron tương phản khi tiến hành quét trên thép Silicol Ảnh chụp SEM có thể phóng to những kích thước nano và có thể phân giải các kích thước trong khoảng 1-25nm

23

2 CHƯƠNG 2 – MỤC TIÊU VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

• Chế tạo vật liệu nano composite Fe2O3.TiO2

• Đánh giá được khả năng xử lý Asen trong nước bằng vật liệu nano composite

2.1 Nhiệm vụ nghiên cứu

• Khảo sát các điều kiện để điều chế vật liệu nano

• Nghiên cứu khả năng hấp phụ của các vật liệu nano

• Nghiên cứu cơ chế và hiệu quả của việc sử dụng vật liệu nano tổng hợp vào xử lý Asen trong nước ngầm

• Thiết kế mô hình xử lý nước nhiễm Asen bằng vật liệu nano

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: xử lí asen trong nước

• Phạm vi nghiên cứu: nước ngầm ở khu vực Hà Nội