Nghiên cứu biến tính quặng pyrolusite bằng titan và sắt oxit, làm vật liệu hấp phụ, xử lý một số chất độc hại trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thị Thanh Yến Phạm Thị Thanh Yến NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH QUẶNG PYROLUSITE BẰNG TITAN VÀ SẮT NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH QUẶNG PYROLUSITE VÀ SẮT OXIT, LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ, XỬ LÝ MỘT SỐBẰNG CHẤTTITAN ĐỘC HẠI OXIT, LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ,NƢỚC XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC HẠI TRONG TRONG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Thanh Yến NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH QUẶNG PYROLUSITE BẰNG TITAN VÀ SẮT OXIT, LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ, XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC HẠI TRONG NƢỚC Chun ngành: Hóa mơi trƣờng Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN MINH NGỌC Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Minh Ngọc giao đề tài nhiệt tình giúp đỡ, cho em kiến thức q báu trình nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Trần Hồng Côn thầy, phịng thí nghiệm Hóa mơi trường tận tình bảo hướng dẫn em suốt thời gian làm luận văn Cảm ơn phòng thí nghiệm Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình làm thực nghiệm Xin chân thành cảm ơn bạn học viên, sinh viên làm việc phịng thí nghiệm Hóa mơi trường giúp đỡ tơi q trình tìm tài liệu làm thực nghiệm Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Phạm Thị Thanh Yến MỞ ĐẦU Nước tài ngun có ý nghĩa vơ quan trọng sống người sinh vật Trái Đất Ngày nguồn nước ngày bị ô nhiễm hoạt động người Đặc biệt ô nhiễm asen amoni vấn đề quan tâm hàng đầu Theo nghiên cứu gần đây, người dân số khu vực Hà Nội số tỉnh thuộc đồng sông Hồng, số tỉnh thuộc đồng sông Cửu Long phải sử dụng nước có hàm lượng asen cao gấp từ 10 đến hàng trăm lần tiêu chuẩn nước Hàm lượng amoni xác định vượt tiêu cho phép đến lần cao Điều ảnh hưởng nghiêm trọng trực tiếp tới sức khoẻ người, độc hại asen amoni mang lại Nó gây nhiều loại bệnh nguy hiểm ung thư da, phổi Vì vậy, việc loại bỏ amoni ion kim loại nặng nước thải đô thị, nhà máy hay xí nghiệp việc loại bỏ asen nước, đặc biệt nguồn nước ngầm vô cần thiết cấp bách Nhằm đóng góp phần nhỏ việc tìm kiếm phát triển vật liệu tối ưu nhất, kinh tế để xử lý nguồn nước bị nhiễm amoni, kim loại nặng, chúng tơi nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu biến tính quặng pyrolusite titan sắt oxit, làm vật liệu hấp phụ, xử lý số chất độc hại nước” CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ASEN 1.1.1 Giới thiệu chung asen Hình 1.1 Một mẫu lớn chứa asen tự nhiên Asen hay cịn gọi thạch tín, có số hiệu nguyên tử 33, nguyên tố phổ biến xếp thứ 20 tự nhiên, chiếm khoảng 0,00005% vỏ trái đất, xếp thứ 14 nước biển thứ 12 thể người [13] Asen lần Albertus Magnus (Đức) viết vào năm 1250 Nó phát dạng lượng vết đất, đá, nước, khơng khí khối lượng nguyên tử 74,92, asen kim gây ngộ độc khét tiếng có nhiều dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim) vài dạng màu đen xám (á kim) số mà người ta nhìn thấy Ba dạng có tính kim loại asen với cấu trúc tinh thể khác tìm thấy tự nhiên (các khoáng vật asen sensu stricto asenolamprit parasenolamprit), nói chung hay tồn dạng hợp chất asenua asenat Hàm lượng asen nước ngầm phụ thuộc tính chất trạng thái mơi trường địa hố Asen tồn nước ngầm dạng H2AsO4 -1 ( môi trường pH axit gần trung tính ), HAsO4 -2 ( mơi trường kiềm ) Hợp chất H3AsO3 hình thành chủ yếu môi trường khử yếu Các hợp chất asen với Na có tính hồ tan cao Những muối asen với Ca, Mg hợp chất asen hữu môi trường pH gần trung tính, nghèo Ca có độ hồ tan hợp chất hữu cơ, đặc biệt asen-axit fulvic bền vững có xu tăng theo độ pH tỷ lệ asen- axit fulvic Các hợp chất As5+ hình thành theo phương thức [9] Cơng nghệ đốt chất thải rắn nguồn gây ô nhiễm không khí, nước asen Các ngành cơng nghiệp khai thác chế biến loại quặng tạo nguồn ô nhiễm asen Việc khai thác mỏ nguyên sinh phơi lộ quặng sunfua, làm gia tăng q trình phong hố, bào mịn tạo khối lượng lớn đất đá thải có lẫn asenopyrit lân cận khu mỏ Tại nhà máy tuyển quặng, asenopyrit tách khỏi khống vật có ích vào mơi trường Asenopyrit bị phong hóa, dẫn đến hậu lượng lớn asen đưa vào môi trường xung quanh, asenopyrit sau tách khỏi quặng thành chất thải chất đống ngồi trời trơi vào sơng suối, gây nhiễm tràn lan Đó nguồn phát thải asen gây nhiễm nước, đất, khơng khí Asen kết hợp với số nguyên tố tạo thành hợp chất asen vơ khống vật, đá thiên thạch, reagal (AsS), orpiment (As2S3), arsenolite (As2O3), arsenopyrite (FeAs3, FeAsS, AsSb), vv… Hợp chất asen với carbon hydro gọi hợp chất asen hữu Thường dạng hợp chất hữu asen độc hại so với hợp chất asen vô Hàm lượng asen số loại khoáng đá phổ biến dao động nhiều Ví dụ: quặng sulphite, sulphate, quặng sắt, quặng sulphate ln có hàm lượng asen cao Có loại pyrite lên tới vài chục gam kilogam Quặng oxit sắt chứa nhiều asen Asen tồn trạng thái oxi hoá: -3, 0, +3,+5 Trong nước tự nhiên, asen tồn chủ yếu dạng hợp chất vô asenat [As(V)], asenit [As(III)] As(V) dạng tồn chủ yếu asen nước bề mặt As(III) dạng chủ yếu asen nước ngầm Dạng As(V) hay arsenate gồm AsO43-, HAsO42-, H2AsO4-, H4AsO4; dạng As(III) hay arsenit gồm H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32- AsO33- Asen tồn nhiều dạng hợp chất hữu như: metylasonic, đimetylasinic Các dạng tồn asen nước phụ thuộc vào pH oxi hoá khử Eh mơi trường [1,5,22] 1.1.2 Độc tính asen Asen nhiều hợp chất chất độc có hiệu nghiệm Asen phá vỡ việc sản xuất ATP thông qua vài chế Ở cấp độ chu trình axít citric, asen ức chế pyruvat dehydrogenaza cách cạnh tranh với phốtphat tháo bỏ phốtphorylat hóa ơxi hóa, ức chế q trình khử NAD+ có liên quan tới lượng, hơ hấp ti thể tổng hợp ATP Sản sinh perơxít hiđrơ tăng lên, điều tạo thành dạng ơxy hoạt hóa sức căng ôxi hóa Các can thiệp trao đổi chất dẫn tới chết từ hội chứng rối loạn chức đa quan có lẽ từ chết tế bào chết hoại, chết tự nhiên tế bào Khám nghiệm tử thi phát màng nhầy màu đỏ gạch, xuất huyết nghiêm trọng Mức độ gây độc asen tuỳ thuộc vào dạng (hữu hay vơ cơ) trạng thái oxi hố asen Nhìn chung, asen vơ độc nhiều so với asen hữu cơ, As(III) độc so với As(V) Một số quan thể động vật bị ảnh hưởng asen như: da, hệ hô hấp, hệ tuần hoàn, hệ miễn dịch, hệ thần kinh, quan sinh sản, dày, ruột Asen tác nhân gây 19 loại bệnh khác nhau, đặc biệt bệnh ung thư da ung thư phổi Mặt khác, asen ảnh hưởng đến thực vật chất cản trở trao đổi chất, làm giảm mạnh suất, đặc biệt môi trường thiếu photpho Độc tính hợp chất asen sinh vật nước tăng theo dãy: asin> asenit>asenat>hợp chất asen hữu Bệnh nhiễm độc Asen gọi bệnh arsenicosis, loại bệnh nguy hại sức khoẻ ngời Các biểu việc nhiễm độc asen chứng sạm da (melanosis), dầy biểu bì (keratosis), từ dẫn đến hoại da hay ung thư da Cơ chế biến đổi sinh học asen thể người phức tạp, tuỳ theo hợp chất Hiện chưa có biện pháp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc asen  Asen vô Asen vô phá huỷ mơ hệ hơ hấp, gan thận Nó tác động lên enzim hoạt động đảm bảo cho q trình hơ hấp Các nghiên cứu KẾT LUẬN Trong trình thực đề tài “Nghiên cứu biến tính quặng pyrolusite titan sắt oxit, làm vật liệu hấp phụ, xử lý số chất độc hại nước”, chúng tơi thu số kết sau: Chứng minh khả hấp phụ asen amoni pyrolusit tự nhiên Tải trọng hấp phụ cực đại 2.43 mg/g 1.17 mg/g Vật liệu biến tính cách phủ lớp oxit/hydroxit MnO2 Fe(OH)3 lên bề mặt quặng giúp nâng cao tải trọng hấp phụ asen amoni với tải trọng hấp phụ cực đại thu 3.46 mg/g 1.79 mg/g Vật liệu biến tính cách thêm Ti4+ lên lớp phủ bề mặt quặng làm khả hấp phụ asen amoni tốt so với quặng tự nhiên vật liệu biến tính M-1 có mặt Titan làm cho vật liệu M-2 có nhiểu tâm dương hấp phụ hơn, với tải trọng hấp phụ cực đại 4.67 mg/g 2.97 mg/g Tiến hành xử lý nước sông Kim Ngưu với vật liệu M-2 ta thu kết quả: hàm lượng ion amoni, nitrat nitrit nước sông giảm đáng kể Đồng thời q trình hấp phụ amoni vật liệu cịn có khả có chuyển hóa thành nitrat, nitrit khí Nitơ Các kết nghiên cứu thu vật liệu hấp phụ asen, amoni có dung lượng cao khả ứng dụng thực tiễn tốt Đây tiền đề để thời gian tới khảo sát kỹ yếu tố ảnh hưởng, chế hấp phụ asen vật liệu, triển khai chế tạo vật liệu hấp phụ phục vụ cho nhu cầu xử lý asen amoni người dân TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt PGS TS Vũ Ngọc Ban (2007), Giáo trình thực tập hóa lý, NXB Đại học quốc gia Hà Nội Lê Văn Cát (2007), Xử lý nước thải giàu hợp chất Nitơ photpho, Nhà xuất Khoa Học Tự Nhiên Công Nghệ, Hà Nội Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lý nước nước thải, Nhà xuất Thống Kê, Hà Nội Trần Hồng Côn, Đồng Kim Loan (2003), Bài giảng Độc học Mơi trường, Khoa Hóa học, trường ĐH Khoa học Tự Nhiên – ĐH Quốc gia Hà Nội Nguyễn Tinh Dung (2003), “Phản ứng ion dung dịch nước”, Hóa học phân tích, Phần 2, NXB Giáo dục, Hà Nội Phạm Thị Hạnh, Phạm Văn Tình, Đinh Khắc Tùng (2010), “Điện phân MnO2 từ quặng tự nhiên pyrolusit cho xử lý asen nước giếng khoan”, Tạp chí Hóa Học, 48 (2C), tr 290 – 294 Nguyễn Ngọc Khánh (2010), Nghiên cứu xử lý hợp chất asen photphat nguồn nước nhiễm với than hoạt tính cố đinh Zr(IV) Luận văn thạc sĩ, Hóa mơi trường, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Hoàng Nhâm (2002), Hóa học vơ cơ, Tập 3, NXB Giáo dục, Hà Nội Hồng Nhâm (2002), Hóa học vơ cơ, Tập 2, NXB Giáo dục, Hà Nội 10 Hà Minh Ngọc, Lê Thanh Sơn, Lại Thị Hà(2009), Nghiên cứu chế tạo vật liệu hỗn hợp Fe(OH)3-MnO2 để xử lí asen nguồn nước, Khoa Hóa học, trường ĐH Khoa học Tự Nhiên – ĐH Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh 11 Aylin SÖNMEZAY, M SALIM ÖNCEL, Nihal BEKTAŞ(2012), “Adsorption of lead and cadmium ions from aqueous solutions using manganoxide minerals”, Trans Nonferrous Met Soc China, 22, 3131−3139 12 Babloe Chander, Nguyen Thi Phuong Thao, Nguyen Quy Hoa (2004), “Random Survey of Arsenic Contamination in Tubewell Water of 12 Provinces in Vietnam and INitially Human Health Arsenic Risk Assessment through Food Chain”, Chương trình hội nghị khoa học - Trường ĐHKHTN chủ đề “Những vấn đề Khoa học Công nghệ liên quan đến ô nhiễm asen-hiện trạng, ảnh hưởng đến sức khoẻ công nghệ xử lý”, Hà Nội 13 Dinesh Mohan, Charles U Pittman Jr (2007),“Arsenic removal from water/wasterwater using adsorbents – A critical review”, Journal of Hazardous Materials, 142, pp 1-53 14 Fujishima Akira et al (1999) , “Study on the photocatalytic degradation of insecticide methomyl in water”, Desalination, 262, pp 283-234 15 Fu- Shen Zhang, Hideaki Itoh (2006), “Iron oxide- loaded slag for arsenic removal from aqueous system”, Chemosphere, Volume 60, pp 319- 325 16 Ghurye, Ganesh and Dennis Clifford (2001), “Laboratory Study on the Oxidation of Arsenic III to Arsenic V EPA 600-R-01-021”, Prepared under contract 8C-R311-NAEX for EPA ORD, March 2001 17 Ioannis A Katsoyiannis, Anastasios I Zouboulis (2002), “Removal of Arsenic from Contaminated Water Sourse by Sorption onto Iron-oxide-coated Polymeric Materials”, Water Research, 36, 5141-5155 18 Monique Bissen, Fritz H Frimmel (2003), “ Oxidation of Arsenic and its Removal in Water Treatment”, Acta hydrochimica et hydrobiologica , Volume 31, No2, pp 97-107 19.Tatineni Balaji , T.Yokoyama, Hideyuki Matsunaga (2005), “Adsorption and removal of As(V) and As(III) using Zr-loaded lysine diacetic acid chelating resin”, Chemosphere, 59, pp 1169–1174 20 The Society of Environmental Geochemistry and Health (SEGH) (1998), The Proceeding of 3th International conference on arsenic exposure and health effects, California 21 Ting Liu, Kun Wuc, Lihua Zeng(2012), “Removal of phosphorus by a composite metal oxide adsorbent derived from manganese ore tailings”, Journey of Hazardous Materials 217-218, pp.29-35 10 22 Virender K Sharma, Mary Sohn (2009), “Aquatic arsenic: Toxicity, speciation, transformations, and remediation”, Environment International, 35, pp 743– 759 11