“ nghiên cứu, đánh giá khả năng xử lý asen trong nước ngầm bằng hyđroxit sắt theo dạng mẻ

Ô nhiễm nước đang là một vấn đề nóng bỏng và là mối quan tâm hàng đầu trên thế giới hiện nay. Các chất ô nhiễm có thể tồn tại trong nước ở cả hai dạng tan hoặc không tan như các chất hữu cơ, các hợp chất của nitơ, kim loại nặng.... Trong đó ô nhiễm asen nguồn nước ngầm đang là mối nguy cơ lớn về môi trường trên thế giới. Hàng triệu người ở các nước đang tiếp xúc với asen ở hàm lượng cao trong các giếng nước ngầm, được ghi nhận ở Chile, Mexico, Trung Quốc, Argentina, Mỹ, Hungary cũng như ở Ấn Độ bang Tây Bengal, Bangladesh, và Việt Nam 6.Tại Việt Nam, nước ngầm được sử dụng làm nước sinh hoạt chính của nhiều cộng đồng dân cư. Sự có mặt của asen trong nước ngầm tại nhiều khu vực, nhất là vùng nông thôn Việt Nam đã và đang gây ra nguy cơ cho sức khỏe con người. Theo thống kê của bộ y tế, tính đến năm 2010, hiện có 21% dân số Việt Nam đang dùng nguồn nước nhiễm asen vượt quá mức cho phép và tình trạng nhiễm độc asen ngày càng rõ rệt và nặng nề trong dân cư, đặc biệt ở khu vực sông Hồng. Asen là một chất độc, độc gấp 4 lần thủy ngân. Asen tác động xấu đến hệ thần kinh. Nếu bị nhiễm độc từ từ, mỗi ngày một ít, tùy theo mức độ bị nhiễm và thể trạng mỗi người, có thể xuất hiện nhiều bệnh như: rụng tóc, buồn nôn, sút cân, ung thư, giảm trí nhớ...1.Asen làm thay đổi cân bằng hệ thống enzim của cơ thể, nên tác hại của nó đối với phụ nữ và trẻ em là rất lớn. Ngộ độc asen gây ra hậu quả nghiêm trọng cho đời sống, cuộc sống gia đình, khả năng kiếm sống khi mà các cá nhân gặp nạn. Với sự ô nhiễm cao asen ở một khu vực có thể dẫn đến căng thẳng xã hội, sự nghèo đói, sự giảm giá cả thị trường do sản phẩm nhiễm bẩn dẫn đến thu nhập của nông dân thấp 8. Hiện nay, ô nhiễm asen được ước tính có ảnh hưởng đến hơn 150 triệu người trên thế giới với nồng độ ngày càng cao của nó trong nước uống 7. Nhiễm độc asen chủ yếu ở các đồng bằng lớn và các lưu vực sông lớn trên toàn thế giới như ở đồng bằng Bengal, đồng bằng sông Hồng, đồng bằng sông Cửu Long, Campuchia 4. Các nguồn nước ngầm nhiễm độc asen ở Bangladesh đang là mối nguy hiểm lớn nhất trên thế giới đối với người dân bị ảnh hưởng. Hàng triệu giếng ngầm cấp nước bị nhiễm độc asen, do đó khoảng 80 triệu người có khả năng nhiễm độc asen 8. Các nghiên cứu hiện đại của Chakraboti (2010) cho thấy 27,2% số 52.202 mẫu nước các giếng thu thập từ 64 huyện của Bangladesh có lượng asen cao hơn 0,05 mg L. Hơn nữa, Shiai (2011) thu thập 30 mẫu nước từ tầng nước ngầm cạn qua ống giếng và phân tích asen thì có 26 mẫu cho thấy sự hiện diện của asen vượt quá giới hạn an toàn 0,05mgL ở Bangladesh 8. Vì vậy cần phải tìm ra các giải pháp nhằm loại bỏ asen khỏi nguồn nước ngầm để bảo vệ sức khỏe của con người. Hiện tại trên thế giới và ở Việt Nam đã và đang áp dụng nhiều phương pháp xử lý asen như: oxi hóa, hấp phụ, trao đổi ion, kết tủa, lắng lọc...Trong đó có nhiều công trình đã thành công trong việc sử dụng vật liệu mới như đá ong biến tính, nano cacbon....để xử lý asen. Xuất phát từ thực tế trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu, đánh giá khả năng xử lý Asen trong nước ngầm bằng hyđroxit sắt theo dạng mẻ”.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA MÔI TRƯỜNG  NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG HYĐROXIT SẮT THEO DẠNG MẺ NIÊN LUẬN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Cán hướng dẫn: PGS.TS.NGUYỄN MẠNH KHẢI Hà Nội - Năm 2016 MỤC LỤC Nội dung Trang VÀ BẢNG Trang Hình Một mẫu lớn chứa As tự nhiên .3 Hình Asenic .3 Hình Mô hình tinh thể As cấu trúc nguyên tử As .4 Hình Các đường As thâm nhập vào thể người .6 Hình Động học trình As(III) hấp phụ hydroxit sắt theo thời gian 13 Hình Động học hấp phụ As(III) giá trị pH khác .13 Hình Ảnh hưởng pH đến lượng As III bị hấp phụ hyđroxit sắt 14 Hình Ảnh hưởng tỷ lệ Fe/As hàm lượng As(III) lại dung dịch cân .15 Hình Tương quan tỉ lệ Fe/As hiêu xuất xử lý 15 Hình 10 Bố trí thí nghiệm xác định phương pháp 18 Hình 11: Vật liệu hấp phụ sắt(III) hydroxit – bã mía 20 Hình 12: Ảnh hưởng pH đến khả xử lý As(V) 20 Hình 13: Hấp phụ đẳng nhiệt As(V) nồng độ As ban đầu 21 Bảng 1: Hiệu suất hấp phụ As vật liệu 18 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Ô nhiễm nước vấn đề nóng bỏng mối quan tâm hàng đầu giới Các chất ô nhiễm tồn nước hai dạng tan không tan chất hữu cơ, hợp chất nitơ, kim loại nặng Trong ô nhiễm asen nguồn nước ngầm mối nguy lớn môi trường giới Hàng triệu người nước tiếp xúc với asen hàm lượng cao giếng nước ngầm, ghi nhận Chile, Mexico, Trung Quốc, Argentina, Mỹ, Hungary Ấn Độ bang Tây Bengal, Bangladesh, Việt Nam [6].Tại Việt Nam, nước ngầm sử dụng làm nước sinh hoạt nhiều cộng đồng dân cư Sự có mặt asen nước ngầm nhiều khu vực, vùng nông thôn Việt Nam gây nguy cho sức khỏe người Theo thống kê y tế, tính đến năm 2010, có 21% dân số Việt Nam dùng nguồn nước nhiễm asen vượt mức cho phép tình trạng nhiễm độc asen ngày rõ rệt nặng nề dân cư, đặc biệt khu vực sông Hồng Asen chất độc, độc gấp lần thủy ngân Asen tác động xấu đến hệ thần kinh Nếu bị nhiễm độc từ từ, ngày ít, tùy theo mức độ bị nhiễm thể trạng người, xuất nhiều bệnh như: rụng tóc, buồn nôn, sút cân, ung thư, giảm trí nhớ [1].Asen làm thay đổi cân hệ thống enzim thể, nên tác hại phụ nữ trẻ em lớn Ngộ độc asen gây hậu nghiêm trọng cho đời sống, sống gia đình, khả kiếm sống mà cá nhân gặp nạn Với ô nhiễm cao asen khu vực dẫn đến căng thẳng xã hội, nghèo đói, giảm giá thị trường sản phẩm nhiễm bẩn dẫn đến thu nhập nông dân thấp [8] Hiện nay, ô nhiễm asen ước tính có ảnh hưởng đến 150 triệu người giới với nồng độ ngày cao nước uống [7] Nhiễm độc asen chủ yếu đồng lớn lưu vực sông lớn toàn giới đồng Bengal, đồng sông Hồng, đồng sông Cửu Long, Campuchia [4] Các nguồn nước ngầm nhiễm độc asen Bangladesh mối nguy hiểm lớn giới người dân bị ảnh hưởng Hàng triệu giếng ngầm cấp nước bị nhiễm độc asen, khoảng 80 triệu người có khả nhiễm độc asen [8] Các nghiên cứu đại Chakraboti (2010) cho thấy 27,2% số 52.202 mẫu nước giếng thu thập từ 64 huyện Bangladesh có lượng asen cao 0,05 mg/ L Hơn nữa, Shiai (2011) thu thập 30 mẫu nước từ tầng nước ngầm cạn qua ống giếng phân tích asen có 26 mẫu cho thấy diện asen vượt giới hạn an toàn 0,05mg/L Bangladesh [8] Vì cần phải tìm giải pháp nhằm loại bỏ asen khỏi nguồn nước ngầm để bảo vệ sức khỏe người Hiện giới Việt Nam áp dụng nhiều phương pháp xử lý asen như: oxi hóa, hấp phụ, trao đổi ion, kết tủa, lắng lọc Trong có nhiều công trình thành công việc sử dụng vật liệu đá ong biến tính, nano cacbon để xử lý asen Xuất phát từ thực tế trên, tiến hành nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu, đánh giá khả xử lý Asen nước ngầm hyđroxit sắt theo dạng mẻ” Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu khả xử lý asen sắt (III) hyđroxit ứng dụng sắt(III) - hyđroxit xử lý asen Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian, giá trị pH, tỉ lệ Fe(III) As(III) đến - khả xử lý asen Nghiên cứu động học hấp phụ, trạng thái cân asen hấp phụ sắt (III) hyđroxit Chương Tổng quan Asen Giới thiệu chung asen Asen( As) nguyên tố phổ biến thứ 20 vỏ trái đất, thứ 14 nước biển thứ 12 thể người [1] Asen nguyên tố hóa học thuộc phân nhóm nhóm V bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep As tồn hợp chất vô hợp chất hữu với bốn mức hóa trị -3, 0, +3 +5 Trong nước tự nhiên, As tồn chủ yếu dạng hợp chất vô asenat [As(V)], asenit [As(III)], As(V) dạng tồn chủ yếu As nước bề mặt As(III) dạng chủ yếu As nước ngầm Asen nguyên tố nước mà có không khí, đất, thực phẩm xâm nhập vào thể người, nguyên nhân chủ yếu khiến nhiều vùng nước ta nhiễm asen cấu tạo địa chất Trong công nghiệp asen có ngành luyện kim, xử lý quặng, sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, thuộc da Asen thường có mặt thuốc trừ sâu, diệt nấm, diệt cỏ dại Ngoài ra, khu vực người dân tự động đào lấp giếng không tiêu chuẩn kỹ thuật khiến chất bẩn, độc hại bị thẩm thấu xuống mạch nước, việc khai thác nước ngầm lớn làm cho mực nước giếng hạ xuống khiến cho khí oxy vào địa tầng gây phản ứng hóa học tạo thạch tín từ quặng pyrite đất nước ngầm nông • Tính chất vật lý asen Ở vị trí thứ 33 bảng tuần hoàn Mendeleep có cấu trúc electron là: [Ar]3d10.4s2.4p3 Asen mang nhiều độc tính tương tự số kim loại nặng chì thủy ngân, khối lượng phân tử 74,9216g/mol Asen dạng nguyên tố ( hóa trị 0) dạng không tan nước gặp trạng thái tự As kim độc hại tìm thấy chất gây ô nhiễm nước ngầm nghiêm trọng toàn giới [5] Nó tồn số dạng thù hình: phi kim loại kim loại Dạng phi kim loại As hình thành làm ngưng tụ tạo nên chất rắn màu vàng gọi As vàng As vàng có mạng lưới lập phương, gồm phần tử As liên kết với lực Vanderwall, tan Cs cho dung dịch gồm phần tử tứ diện As4 As vàng bền, nhiệt độ thường chuyển sang kim loại [1] Dạng kim loại As có màu bạc trắng, chất dạng polyme có mạng lưới nguyên tử, nguyên tử As liên kết với nguyên tử As bao quanh liên kết As-As Nó có khả dẫn điện, dẫn nhiệt, giòn dễ nghiền thành bột, không tan Cs2 [1] Hình 3: Mô hình tinh thể As cấu trúc nguyên tử As • Tính chất hóa học As Asen có khả cộng kết với nhiều oxit kim loại Fe, Mg, Al, Zn Trong môi trường khí hậu khô: hợp chất asen dễ bị hòa tan, rửa trôi , dễ xâm nhập vào đất, vào nước, vào không khí Asen tham gia phản ứng với oxy trở thành dạng As 2O3 sau thành As2O5, môi trường yếm khí As(V) bị khử trạng thái As(III) Độc tính asen a Con đường xâm nhập Asen Nhiễm độc As xác định vấn đề mang tính cộng đồng Về ngắn hạn, tiếp xúc với As gây vấn đề đến da, hô hấp, tiêu hóa tim mạch, gây đột biến ung thư, có tác động đến hệ thống miễn dịch As có vai trò trao đổi nuclein, tổng hợp protit hemoglobin As 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 As sinh vật nước tăng dần theo dãy Asasenat asenit hợp chất asen hữu Độc tính As liên quan đến hấp thụ thời gian lưu thể Liều lượng gây chết asen (LD 50) người 1-4 mg/kg trọng lượng As xâm nhập vào thể tất đường hít thở, ăn uống thẩm thấu qua da As vào thể người thông qua chuỗi thức ăn ngày đêm khoảng 25-50 , qua bụi không khí 1,4 g, đường khác 0,04-1,4g Trong uống nước nhiễm As đường xâm nhập Khi vào thể As thể tính độc cách công nên nhóm –SH enzim, làm cản trở hoạt động enzim Hình : Các đường As thâm nhập vào thể người [1] Do tương tự tính chất hóa học với phospho, As can thiệp vào số trình hóa sinh làm rối loạn phospho Ta thấy tượng nghiên cứu phát triển hóa sinh chất sinh lượng chủ yếu ATP Một số giai đoạn quan trọng trình hình thành phát triển ATP tổng hợp enzim 1,3-diphotphatglixerat từ glixeandehit-3-photphat Vì vậy, As xẽ dẫn đến tạo thành hợp chất 1-aseno-3photphoglixerat gây cản trở giai đoạn [1] Asen (III) nồng độ cao làm đông tụ protein công liên kết nhóm sunfua bảo toàn cấu trúc bậc bậc [1] Như vậy, asen tác động theo chế: làm đông tụ protein, tạo phức với enzim, phá hủy trình photpho hóa b Ảnh hưởng asen đến sức khỏe người Nhiễm độc As thường qua đường hô hấp tiêu hóa dẫn đến thương tổn da tăng hay giảm màu da, tăng sừng hóa, ung thư da phổi, ung thư bàng quang, ung thư thận, ung thư ruột Ngoài ra, asen gây bệnh khác như: to chướng gan, bệnh đái đường, bệnh sơ gan Khi thể bị nhiễm độc asen, tùy theo mức độ thời gian tiếp xúc biểu triệu chứng với tác hại khác nhau, chia làm loại sau: Nhiễm độc cấp tính: Qua đường tiêu hóa anhydrit arsenous chì arsenate vào thể biểu triệu chứng nhiễm độc rối loạn tiêu hóa (đau bụng, nôn, bỏng, khô miệng, tiêu chảy nhiều thể bị nước ) Bệnh tương tự bệnh tả dẫn tới tử vong từ 12-18 Trong trường hợp sống, nạn nhân bị viêm da tróc vẩy viêm dây thần kinh ngoại vi Một tác động đặc trưng bị nhiễm độc asen dạng hợp chất vô qua đường miệng xuất vết màu đen sáng da Qua hô hấp ( hít thở không khí có bụi, khói có bụi, khói Asen): có triệu chứng như: kích ứng đường hô hấp với biểu ho, đau hít vào, khó thở, rối loạn thần kinh nhức đầu, chóng mặt, đau chi, tượng xanh tím mặt cho tác dụng gây liệt Asen mao mạch Ngoài có tổn thương mắt như: viêm da mí mắt, viêm kết mạc Nhiễm độc mãn tính: Trong môi trường tiếp xúc thường xuyên với asen nồng độ vượt độ an toàn chưa gây độc cấp tính, asen gây nhiễm độc mãn tính thường biểu triệu chứng lâm sàng như: mệt mỏi, chán ăn, giảm trọng lượng thể, xuất bệnh dày, da, gan bàn chân, rối loạn chức gan Nhiễm độc As mãn tính thường xảy sau 2-8 tuần Tình hình ô nhiễm asen giới Việt Nam • Ô nhiễm asen giới Hiện giới có hàng chục triệu người bị bệnh đen rụng móng chân, sừng hóa da, ung thư da sử dụng nguồn nước sinh hoạt có nồng độ asen cao Nhiều nước vùng lãnh thổ phát hàm lượng As cao nguồn nước sinh hoạt Canada, Alaska, Chile, Argentina, Trung Quốc, India, Thái Lan, Bangladesh, Việt Nam Ở Trung Quốc, trường hợp bệnh nhân nhiễm độc Asen phát từ năm 1953 Số liệu thống kê cho thấy 88% nhiễm qua thực phẩm, 5% tư không khí 7% từ nước uống Đến năm 1993 có 1546 nạn nhân bệnh nhiễm độc Asen thời điểm phát 13500 bệnh nhân số 558.000 người kiểm tra 462 làng thuộc 47 vùng bị liệt vào khu vực nhiễm As cao Trên nước Trung Quốc có tới 13-14 triệu người sống vùng có nguồn bị ô nhiễm As cao, tập trung nhiều tỉnh An Huy, Sơn Tây, Nội Mông, Ninh Hạ, Tân Cương Tại Sơn Tây phát 105 làng bị ô nhiễm Asen, hàm lượng As tối đa thu nước uống 4,43 mg/l gấp 433 lần giá trị Asen cho phép Tổ chức Y tế Thế giới WHO (10g/l) [1] Khu vực có vấn đề lớn đồng châu thổ sông Ganges nằm Tây Bengal Ấn Độ Bangladesh Ở Tây Bengal, 40 triệu người có nguy nhiễm độc Asen uống khu vực có nồng độ asen cao Tới có 0.2 triệu người bị nhiễm nồng độ As tối đa nước cao gấp 370 lần nồng độ cho phép WHO Tại Bangladesh, trường hợp nhiễm As phát vào năm 1993, có tới 3000 người chết nhiễm độc As năm 77 triệu người có nguy nhiễm Asen [9] Con số bệnh nhân nhiễm độc Asen Argentina có tới 20000 người Ngay nước phát triển mạnh Mỹ, Nhật Bản phải đối phó với thực trạng ô nhiễm Asen Ở Mỹ, theo nghiên cứu cho thấy triệu người dân Mỹ có nguy nhiễm độc Asen, mức độ nhiễm Asen nước uống dao động từ 0,0450,092 mg/l Còn Nhật Bản, nạn nhân có triệu chứng nhiễm Asen phát từ năm 1971, năm 1995 có 217 nạn nhân chết Asen [1] • Ô nhiễm Asen Việt Nam Do cấu tạo tự nhiên địa chất, nhiều vùng nước ta nước ngầm bị nhiễm Asen, điển hình hai vùng đồng châu thổ sông Hồng sông Mekong Theo thống kê chưa đầy đủ, có khoảng triệu giếng khoan, nhiều giếng số có học hydroxit sắt, chất phức hợp sắt đặc tính điện tích bề mặt hấp phụ [10] Nghiên cứu khả sử dụng hydroxit sắt để hấp phụ As nước cho thấy khoảng pH tối ưu 6,5-7 tỷ lệ Fe/As ảnh hưởng rõ rệt đến khả xử lý As, với tỷ lệ Fe/As > 30, hàm lượng As nước đạt 10 mg L -1[2] 2.2.1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu a Địa điểm lấy mẫu Mẫu nước lấy mẫu nước ngầm sử dụng cho sinh hoạt xã Văn Lý, huyện Lý Nhân xã Bình Nghĩa, huyện Bình Lục, tỉnh Hà Nam Tại xã trên, 10 mẫu nước lấy ngẫu nhiên cho xã b Phương pháp nghiên cứu - Phân tích số tiêu nước: Mẫu nước đo pH máy đo pH nhanh trường, As phân tích phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) có sử dụng bay hydride HVH-1 máy Shimadzu AAS 6800 - Các thí nghiệm ảnh hưởng thời gian, pH, nồng độ kim loại nặng đến khả hấp phụ hyđroxit sắt Mỗi thí nghiệm lặp lại lần, kết lấy giá trị trung bình lần lặp: + Thời gian hấp phụ: Cho vào bình nhựa 100ml dung dịch Fe(III) có nồng độ 50 mgL-1, điều chỉnh pH hệ đến khoảng 6,5 NaOH HNO 0,01M Thêm vào hệ mL dung dịch có nồng độ As(III) 100 mgL -1, khuấy sau khoảng thời gian: 1, 5, 10, 15, 25, 30, 40, 60 phút, lọc dung dịch để xác định hàm lượng As lại phương pháp nêu + pH: Cho vào bình nhựa 40 mL dung dịch 125 mg Fe (III) L -1, 10 mL dung dịch 0,5 mg As(III) L-1 Để pH khác nhau, thể tích axit (HNO 3) kiềm (NaOH 0,02 M) từ đến 20 mL thêm vào bình nhựa Để đảm bảo cường độ ion mẫu thí nghiệm tương đương nhau, lượng dung dịch muối NaNO 0,02 M thêm vào cho thể tích hệ đạt 100mL + Tỉ lệ Fe/As: Với dung dịch có hàm lượng As( III) ban đầu 0,5 mgL -1 trộn với dung dịch hyđroxit Fe(III) có nồng độ từ 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 mg Fe L-1 theo tỷ lệ 1:1 Khuấy dung dịch khoảng thời gian 40 phút sau lọc xác định hàm lượng asen lại dung dịch + Phương trình Lagergren: phương trình Lagergren ( bậc 1) mô tả động học trình hấp phụ sau: Lấy tích phân xác định ( t (o-t), qt (0-qt) ), ta phương trình: Hay , k số hấp phụ Lagergren, qt lượng ion (mg g-1) bị hấp phụ thời điểm t (phút) 2.2.2 Kết nghiên cứu a Động học hấp phụ Lượng As (III) bị hấp phụ hyđroxit sắt tăng lên theo thời gian Tốc độ hấp phụ tăng nhanh khoảng 15 phút đầu tiên, sau tốc độ hấp phụ giảm xuống < 0,1 mg g phút-1 khoảng thời gian sau phút 15 đạt cân phút 25, hiệu suất tách asen khỏi pha lỏng đạt 99,8 % Tại điểm cân bằng, lượng As(III) hấp phụ hyđroxit sắt đạt 19,91mg g-1( tính theo Fe) Phương trình Lagergren mô tả động học hấp phụ As(III) hyđroxit sắt với số hấp phụ k= 0,486 Phương trình hồi quy với hệ số tương quan R2= 0,92, khác biệt ý nghĩa giá trị qe tính toán hồi quy thực nghiệm (19,77 19,91) thể phương trình Lagergren mô tả tốt động học hấp phụ As(III) hyđroxit sắt [2] Hình 5: Động học trình As(III) hấp phụ hyđroxit sắt theo thời gian[2] Theo nghiên cứu động học hấp phụ asen lên sắt hydroxit, cho thấy nồng độ As so với thời gian phản ứng giá trị pH khác 4, 7, 9, 11 hình: Hình 6: Động học hấp phụ As(III) giá trị pH khác [11] Kết việc loại bỏ As(III) tăng theo thời gian hấp phụ lượng cân đạt sau 15 phút tỷ lệ hấp phụ thấp 30-240 phút nồng độ As không đổi pH tăng Như vậy, tốc độ loại bỏ As nhanh lúc đầu giá trị pH khác tỷ lệ As(III) loại bỏ tốt pH trung tính [11] b Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Hiệu loại bỏ As hyđroxit sắt phụ thuộc chủ yếu vào pH tỷ lệ Fe/As Phân tích mẫu nước xã Văn Lý, huyện Lý Nhân xã Bình Nghĩa, huyện Bình Lục cho thấy kết ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ As(III) hyđroxit sắt thể hình Kết pH tối ưu cho xử lý loại bỏ asen nhờ sắt hyđroxit từ 6,5-7,0, pH khả hình thành keo hydroxit sắt điện tích bề mặt dương lớn [2] Hình 7: Ảnh hưởng pH đến lượng As(III) bị hấp phụ hyđroxit sắt [2] c Ảnh hưởng tỷ lệ chất hấp phụ Hình 8: Ảnh hưởng tỷ lệ Fe/As hàm lượng As(III) lại dung dịch cân [2] Tại pH xấp xỉ 6,5, với nồng độ As ban đầu 50gL -1, hiệu suất xử lý As khỏi dung dịch đạt đến 60% tỷ lệ Fe/As =20, tỷ lệ Fe/As lớn lượng As lại dung dịch cân giảm, tương ứng với lượng bị hấp phụ tăng Để đạt giá trị nồng độ As nước 10 gL -1 tỷ lệ Fe/As > 30 [1] Khi phân tích mẫu nước xã Trung Châu, huyện Đan Phượng, Hà Nội, mẫu nước có hàm lượng Fe lớn 20mg/L, hiệu loại bỏ asen tốt, hiệu suất xử lý lên đến 90%, mẫu nước có nồng độ asen từ 10- 20mg/L khả xử lý giảm đáng kể xuống khoảng 80-90%, hàm lượng As sau xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép, mẫu có nồng độ Fe nước nhỏ khoảng 1-2mg/L thể khả loại bỏ asen hạn chế từ 44-63% [3] Hình 9: Tương quan tỉ lệ Fe/As hiệu suất xử lý [3] Tỷ lệ Fe/As nước ngầm khai thác xã Trung Châu, huyện Đan Phượng, Hà Nội cao (từ 100-1500 lần) điều kiện thuận lợi để loại As khỏi nguồn nước công nghệ đơn giản nhờ hàm lượng Fe sẵn có nước (hấp phụ/ cộng kết), hiệu loại As giếng nghiên cứu đạt tới hiệu suất đến 90% [3] 2.3 Xử lý As hyđroxit sắt (III) phế thải ngành mạ [3] 2.3.1 Vật liệu hyđroxit sắt (III) phế thải ngành mạ Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu [3] Bể thu gom nước thải gồm chất hữu cơ, FeCl3, FeCl2 Bể xử lý Bể lắng kết tủa Fe(OH)3 Lọc ép Thu hồi bùn Fe(OH)3 Bể thu gom nước sau xử lý Nước đủ tiêu chuẩn Khi xử lý lít nước thải thu Fe(OH)3 có khối lượng 85 g Đối tượng phương pháp nghiên cứu a Địa điểm lấy mẫu Mẫu nước lấy giếng khoan hộ gia đình vị trí ô nhiễm As địa bàn thành phố Hà Nội, cụ thể Thanh Trì, Gia Lâm, Đông Anh, Từ Liêm b Phương pháp nghiên cứu Các thử nghiệm xác định thời gian tối ưu, pH tối ưu để hấp phụ asen vật liệu, lặp lại thí nghiệm lần lấy giá trị trung bình kết lần thí nghiệm: - Thời gian hấp phụ tối ưu: Cho vật liệu vào cốc cho từ từ dung dịch As có nồng độ 1mg/l cho mực nước cao mực vật liệu cốc ngừng cho nước Ngâm dung dịch As thời gian khác 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 phút sau đưa nước lọc tách kết tủa tiến hành phân tích - pH tối ưu: Dung dịch As nồng độ 1mg/l pH khác 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, điều chỉnh pH cách cho từ từ dung dịch NaOH vào dung dịch nước chứa As dùng máy đo đến giá trị pH cần dừng cho NaOH Cho 200g vật liệu vào cốc thủy tinh thêm từ từ dung dịch As pH khác vào cốc đựng vật liệu để thời gian thời gian tối ưu, sau lấy nước lọc tiến hành phân tích - Thử nghiệm vật liệu hấp phụ theo mẻ: + Dụng cụ thí nghiệm: Thiết kế cột lọc hình vẽ, ống đong, bình nón, pipet, buret + Tiến hành: Cân 200 g vật liệu hấp phụ vào ống lọc • Mẻ 1: Đổ từ từ dung dịch asen 0,1 (mg/l) vào cột lọc đến dung dịch đầy mặt lớp vật liệu ngưng lại, ngâm 30 phút, xả hết lượng nước lọc qua giấy lọc phân tích • hàm lượng Asen dung dịch Mẻ 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10: Làm tương tự mẻ Hình 10: Bố trí thí nghiệm xác định phương pháp [1] 2.3.3 Kết xử lý As hiđroxit sắt (III) phế thải ngành mạ Thời gian hấp phụ tối ưu vật liệu 30 phút pH tối ưu cho hiệu suất xử lý asen cao Bảng 1: Hiệu suất hấp phụ As theo mẻ vật liệu Hiệu suất hấp phụ mẻ ổn định, từ cho thấy vật liệu có tính chất ổn định bề mặt tiếp xúc với nước tốt, hiệu suất mẻ đạt 90% nồng độ As dung dịch sau hấp phụ đạt QCVN 02/2009 0,01(mg/l) [1] 2.4 Xử lý As (V) nước từ vật liệu hấp phụ sắt (III) hydroxit kết hợp bã mía Cơ chế xử lý As(V) nước sắt (III) hydroxit – bã mía nghiên cứu với ảnh hưởng thông số khác giá trị pH, nồng độ As ban đầu, liều lượng hấp phụ, thời gian tiếp xúc Dung lượng hấp phụ vật liệu cho As (V) 22,1 mg/g điều kiện tối ưu pH =4, thời gian tiếp xúc giờ, nhiệt độ 22 [12] 2.4.1 Vật liệu phương pháp nghiên cứu - Chuẩn bị bã mía: Bã mía thu từ vùng ngoại ô Hà Nội, Việt Nam nghiền thành bột nhà máy rây máy sàng với lỗ lưới 125 – 200 rửa nước khử ion Không khí khô bã mía (50g) thủy phân 1,15M H2SO4 để loại bỏ tinh bột, protein, đường Sau hợp chất ligin phân tử thấp loại bỏ 24 dung dịch NaOH 0,1M Sau chất hấp phụ sấy khô lò 50 lưu trữ bình hút ẩm - Chuẩn bị vật liệu hấp phụ: Bã mía (10g) chế biến trộn với 300 ml dung dịch 0,05 M Fe(NO3)3 cốc thủy tinh lít 48 Thêm giọt NaOH 0,1M vào kết hợp khuấy liên tục, giữ cho độ pH 2,8 3,5 Sau 48 giờ, mẫu lọc rửa nhiều lần, sấy khô 50, bảo quản nhiệt độ phòng sử dụng - Thí nghiệm hấp phụ mẻ: Một lượng xác định vật liệu hydroxit sắt(III) – bã mía thêm vào 50 ml dung dịch As(V) nồng độ khác lắc đều, sử dụng máy quay lắc khoảng thời gian định 15 – 24 Sau lọc hỗn hợp qua lọc xenlulozo acetat ( cỡ 2) phân tích As(V) sử dụng máy HG-AAS Sự cân khối lượng As(V) hấp phụ đơn vị khối lượng vật liệu (mg/g) tính toán cách sau đây: , Ci Ce nồng độ As(V) (mg/l) trạng thái ban đầu cân bằng, V thể tích dung dịch As(V) (L), W khối lượng vật liệu hấp phụ 2.4.2 Kết nghiên cứu - Khả xử lý vật liệu hấp phụ: Bã mía hỗn hợp xenlulozo, có nhiều vị trí liên kết khác bao gồm nhóm cacboxyl COOH nhóm hydroxyl OH Sắt (III) hydroxit kết hợp bã mía vật liệu hấp phụ tốt đem lại hiệu suất loại bỏ As(V) cao Hình 11: Vật liệu hấp phụ sắt (III) hydroxit – bã mía [12] - Ảnh hưởng pH: pH thường tác động đến hiệu suất hấp phụ As Hình 12: Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ As[12] Hầu hết As(V) xử lý vật liệu giới hạn pH 2-4, khả hấp phụ môi trường axit trung tính, hiệu suất đạt 30% pH = 10 đạt giá trị hiệu suất cao pH =4 Khi pH tăng từ 4- 10 hiệu suất hấp phụ giảm giảm tương tác điện tích bề mặt dương anion As(V) - Mô hình động học đẳng nhiệt: Dạng tổng quát mô hình Langmuir hay phương trình Langmir: Trong đó, As ( mol g-1) Kb ( l mol-1) hệ số, qe lượng chất bị hấp phụ đơn vị khối lượng vật liệu hấp phụ, C e nồng độ chất phân tích pha lỏng trạng thái cân Phương trình Freudlich: 1/n hệ số bám dính, k suất hấp phụ, x/m khối lượng chất hấp phụ đơn vị khối lượng vật liệu hấp phụ Hình cho thấy mối quan hệ lượng As(V) hấp phụ vật liệu với nồng độ As(V) khác Khả hấp phụ As(V) tối đa vật liệu 22,1 mg/g, giá trị Kb =0,45 Hình 13: Hấp phụ đẳng nhiệt As(V) nồng độ As ban đầu khác [12] KẾT LUẬN - Asen kim độc hại tìm thấy chất gây ô nhiễm nước ngầm nghiêm trọng toàn giới, đặc biệt vùng đồng lớn dọc theo sông lớn vùng nghèo Con người tiếp xúc nhiều lâu dài với asen gây ngộ độc As, biến dạng, dẫn đến bệnh da ung thư nội thể Người ta ước tính có 100 triệu người chủ yếu nước phát triển có nguy - Ô nhiễm asen nước ngầm phát nhiều nơi Ấn Độ, Trung Quốc, Đài Loan, Nepal, Myanma, Việt Nam, Arhentina, Meehicoo, Chile, Mỹ với nồng độ từ vài trăm đến vài nghìn Ở Việt Nam, ô nhiễm asen nước ngầm phát chủ yếu đồng sông Hồng đồng sông Cửu Long Hàm lượng As đồng sông Hồng tương đối cao, vượt mức tiêu chuẩn cho phép đến 40 lần - Asen nước ngầm loại bỏ nhờ trình hấp phụ hyđroxyt sắt khoảng pH tối ưu 6,0-6,5, khả hấp phụ As hyđroxit sắt đạt 19,9 mg/L Tỉ lệ Fe/As ảnh hưởng rõ rệt đến khả xử lý As, với tỷ lệ Fe/As >30, hàm lượng As lại nước có khả đạt 10g/L - Ứng dụng hydroxit sắt (III) phế thải ngành mạ hay kết hợp bã mía vật liệu hấp phụ tốt cho xử lý asen TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT Nguyễn Bá Cảnh, ( 2014), “ Đánh giá trạng ô nhiễm asen nước ngầm Hà Nội, ứng dụng vật liệu hyđroxit sắt III phế thải để hấp phụ asen nước ngầm”, Luận văn thạc sĩ khoa học môi trường, Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Nông Lâm Nguyễn Mạnh Khải, Lê Thị Ngọc Anh, Nguyễn Xuân Huân, (2010), “ Nghiên cứu xử lý asen nước ngầm số vùng nông thôn hydroxit sắt (III)”, Tạp chí khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, 26, 165-171 Nguyễn Mạnh Khải, Lê Viết Cao, Hoàng Thị Quỳnh Trang, Nguyễn Tiến Trung, Nguyễn Quang Minh Hoàng Quốc Việt, ( 2011), “ Ô nhiễm asen nước ngầm khả xử lý chỗ quy mô hộ gia đình xã Trung Châu, Đan Phượng, Hà Nội”, Tạp chí khoa học ĐHQGHN, Khoa học tự nhiên Công nghệ, 27, 22-29 Nguyễn Ngọc Mai, (2011), “ Nghiên cứu phân bố không đồng hàm lượng As nước ngầm phạm vi minh họa hẹp tai xã Vạn Phúc, Thanh Trì, Hà Nội”, Luận văn thạc sĩ khoa học môi trường, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, số 608502 TÀI LIỆU TIẾNG ANH Anitha K.Sharma, Jens Chr Tjell, Jens J Sloth, Peter E Holm,(2014), “ Review of arsenic contamination, exposure through water and food and low cost mitigation options for rural areas”, Applied Geochemistry, 41, 11-33 Tetsuro Agusa, Pham Thi Kim Trang, Vi Mai Lan, Duong Hong Anh, Shinsuke Tanabe, Pham Hung Viet, Michael Berg, (2013), “ Human exposure to arsenic from drinking water in Vietnam”, Science of the Total Environment, xxx ( 2013) xxx-xxx Shiv Shankar, Uma Shanker, and Shikha, (2014), “ Arsenic contamination of groundwater: a review of sources, prevalence, health risks, and strategies for mitigation”, The scientific World Journal, volume 2014, article ID 304524, 18 pages Rachana Singh, Samiksha Singh, Parul Parihar, Vijay Pratap Singh, Sheo Mohan Prasad, (2015), “ Arsenic contamination, consequences and remediation techniques”, Ecotoxicology and Environmental Safety, 112, 247-270 Md Safiuddin, S M Shirazi and S.Yuoff, (2011),“Arsenic contamination of groundwater in Bangladesh”, International Journal of the Physical Science 10 K Azzaoui, M Berrabah, L.L Elansari, A Errich, S EL Hajjaji, A.Lamhamdi and B Razzouki, (2015), “ Physicochemical study of arsenic removal using iron hydroxide”, Journal of Materials and Environmental Science,6 (5) 144-1450 11 K.Azzaoui, A.Boussaoud, S.EI Hajjaji, A.EIYahyaoui, A.Lamhamdi, A.Jaafar, B Razzouki and A.Zarrouk, (2015), “ Kinetic investigation on arsenic (III) adsorption onto iron hydroxide(III)”, Der Pharmacia Lettre, (9) 53-59 12 M.Bahadir, W.KI.Ouedraogo, E Pehlivan, C Schmidt, H.T.Tran and D.Zachmann, (2013), “ Sugarcane bagasse treated with hydrous ferric oxide as a potential adsorbent for the removal of As(V) from aqueous solutions”, Food Chemistry 138 (2013) 133- 138 [...]... phương pháp xử lý asen bởi Hyđroxit sắt 2.1 Khả năng hấp phụ asen của hyđroxit sắt [1] Những nghiên cứu địa hóa ở Bangladesh đã cho thấy hai mặt của quá trình vận chuyển asen do các khoáng vật của sắt gây ra Quá trình hòa tan hydroxit đã giải phóng ra nước ngầm Fe2+ và các chất hấp phụ lên nó, trong đó bao gồm cả asen, đây là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm asen ở hầu hết các khu vực ô nhiễm nước ngầm Ngược... hydroxit sắt (III) trong phế thải ngành mạ hay kết hợp bã mía là các vật liệu hấp phụ tốt cho xử lý asen TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 1 Nguyễn Bá Cảnh, ( 2014), “ Đánh giá hiện trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm Hà Nội, ứng dụng vật liệu hyđroxit sắt III phế thải để hấp phụ asen trong nước ngầm , Luận văn thạc sĩ khoa học môi trường, Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Nông Lâm 2 Nguyễn Mạnh Khải,... Thị Ngọc Anh, Nguyễn Xuân Huân, (2010), “ Nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm ở một số vùng nông thôn bằng hydroxit sắt (III)”, Tạp chí khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, 26, 165-171 3 Nguyễn Mạnh Khải, Lê Viết Cao, Hoàng Thị Quỳnh Trang, Nguyễn Tiến Trung, Nguyễn Quang Minh và Hoàng Quốc Việt, ( 2011), “ Ô nhiễm asen trong nước ngầm và khả năng xử lý tại chỗ quy mô hộ gia đình tại xã... Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Hàm lượng As ở đồng bằng sông Hồng tương đối cao, vượt mức tiêu chuẩn cho phép đến 40 lần - Asen trong nước ngầm có thể loại bỏ nhờ quá trình hấp phụ bởi hyđroxyt sắt ở khoảng pH tối ưu là 6,0-6,5, khả năng hấp phụ As bởi hyđroxit sắt đạt 19,9 mg/L Tỉ lệ Fe/As ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng xử lý As, với tỷ lệ Fe/As >30, hàm lượng As còn lại trong nước có khả năng đạt dưới... nguồn nước bằng công nghệ đơn giản nhờ hàm lượng Fe sẵn có trong nước (hấp phụ/ cộng kết), hiệu quả loại As trong các giếng nghiên cứu có thể đạt tới hiệu suất đến trên 90% [3] 2.3 Xử lý As bằng hyđroxit sắt (III) phế thải trong ngành mạ [3] 2.3.1 Vật liệu hyđroxit sắt (III) phế thải trong ngành mạ Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu [3] Bể thu gom nước thải gồm chất hữu cơ, FeCl3, FeCl2 Bể xử lý Bể... tính chất vật lý và hóa học của hydroxit sắt, bản chất của các phức hợp sắt và các đặc tính của điện tích bề mặt hấp phụ [10] Nghiên cứu về khả năng sử dụng hydroxit sắt để hấp phụ As trong nước cho thấy khoảng pH tối ưu là 6,5-7 và tỷ lệ Fe/As ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng xử lý As, với tỷ lệ Fe/As > 30, hàm lượng As trong nước có thể đạt dưới 10 mg L -1[2] 2.2.1 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu a... có hàm lượng asen lớn hơn 50g/L; tại xã Bình Nghĩa với 10 mẫu nước nghiên cứu thì không có mẫu nước nào có hàm lượng asen nhỏ hơn 10g/L, 5/10 mẫu nước có hàm lượng asen nằm trong khoảng 10-50g/L, còn lại 5/10 mẫu nước có hàm lượng asen lớn hơn 50g/L [2] Hàm lượng As trong nước ngầm ở xã Trung Châu, huyện Đan Phượng, Hà Nội hầu hết đều vượt quá giới hạn tối đa cho phép đối với As trong nước sinh hoạt... giá trị pH khác nhau và tỷ lệ As(III) loại bỏ tốt ở pH trung tính [11] b Ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ Hiệu quả loại bỏ As bởi hyđroxit sắt phụ thuộc chủ yếu vào pH và tỷ lệ Fe/As Phân tích mẫu nước ở xã Văn Lý, huyện Lý Nhân và xã Bình Nghĩa, huyện Bình Lục cho thấy kết quả ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III) của hyđroxit sắt được thể hiện ở hình Kết quả pH tối ưu cho xử lý loại bỏ asen. .. là vị trí sắt( III) hyđroxit trên bề mặt vật liệu 2.2 Nghiên cứu xử lý As trong nước ngầm bằng hyđroxit sắt Hydroxit sắt( III) được tổng hợp và áp dụng để loại bỏ As(III) và As(V) Sự hấp phụ của As(III) trên bề mặt của sắt hydroxit bị ảnh hưởng bởi pH, thời gian tiếp xúc, phụ thuộc vào nồng độ Fe và pH tối ưu trên hấp phụ là giữa pH 4 và pH 9 Các phản ứng hấp phụ giữa các ion asen với hydroxit sắt dựa... lại trong dung dịch cân bằng càng giảm, tương ứng với lượng bị hấp phụ càng tăng Để đạt giá trị nồng độ As trong nước dưới 10 gL -1 thì tỷ lệ Fe/As > 30 [1] Khi phân tích mẫu nước ở xã Trung Châu, huyện Đan Phượng, Hà Nội, đối với các mẫu nước có hàm lượng Fe lớn hơn 20mg/L, hiệu quả loại bỏ asen rất tốt, hiệu suất xử lý lên đến trên 90%, đối với các mẫu nước có nồng độ asen từ 10- 20mg/L thì khả năng