Nghiên cứu sử dụng axit humic tách từ than bùn để xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Lê Thị Mai Linh NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG AXIT HUMIC TÁCH TỪ THAN BÙN ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC BỊ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG Chuyên ngành: Hóa m

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Lê Thị Mai Linh

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG AXIT HUMIC TÁCH TỪ THAN BÙN

ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC BỊ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG

Chuyên ngành: Hóa môi trường

Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN HỒNG CÔN

PGS TS NGUYỄN TRƯỜNG SƠN

Hà Nội – 2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC CÁC HÌNH iv

Chương 1 – TỔNG QUAN 7

1.1 Than bùn 7

1.1.1 Sự hình thành than bùn 7

1.1.2 Phân bố các vùng đất than bùn trên thế giới 7

1.1.3 Phân loại than bùn 7

1.1.4 Các ứng dụng chính của than bùn 8

1.2 Axit humic 9

1.2.1 Cấu tạo và tính chất của axit humic 9

1.2.2 Ứng dụng của axit humic trong nông nghiệp và môi trường 10

1.3 Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước 11

1.3.1 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước 11

1.3.2 Ảnh hưởng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và sinh vật 13

1.4 Các phương pháp xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng hiện nay 13

1.4.1 Phương pháp kết tủa 13

1.4.2 Phương pháp điện hóa 14

1.4.3 Phương pháp hấp phụ và trao đổi ion 15

1.4.4 Phương pháp hấp thu sinh học 16

1.4.5 Phương pháp chuyển hóa sinh học 16

1.5 Một số phương pháp đánh giá hàm lượng kim loại nặng trong nướcError! Bookmark not defined 1.6 Khả năng sử dụng axit humic và các hợp chất tương tự trong xử lý

nước bị ô nhiễm kim loại nặng Error! Bookmark not defined

Chương 2 – THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined

2.1 Vật liệu, hóa chất Error! Bookmark not defined

2.2 Tách và bảo quản axit humic từ than bùn Error! Bookmark not defined

2.2.1 Quy trình tách axit humic từ than bùn Error! Bookmark not defined

2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ than bùn và dung dịch NaOH đến hàm

lượng axit humic tách được Error! Bookmark not defined

2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH và điều kiện tách

đến hàm lượng axit humic tách được Error! Bookmark not defined

2.2.4 Bảo quản axit humic Error! Bookmark not defined

2.3 So sánh axit humic tách từ các nguồn than bùn khác nhauError! Bookmark not defined

2.3.1 So sánh độ hấp thụ quang của các loại axit humicError! Bookmark not defined

2.3.2 So sánh khả năng xử lý ion Cu2+ của các loại axit humicError! Bookmark not defined

2.4 Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý các ion kim loại

Cu 2+ , Zn 2+ , Pb 2+ , Cd 2+ của axit humic Error! Bookmark not defined

2.4.1 Ảnh hưởng của pH tới khả năng xử lý các ion kim loại Cu2+, Zn2+,

Pb2+, Cd2+ của axit humic Error! Bookmark not defined

2.4.2 Khả năng xử lý các ion kim loại Zn2+, Pb2+, Cd2+ của axit humicError! Bookmark not defined

2.4.3 Ảnh hưởng của Cu2+ và Fe2+ đến khả năng xử lý các ion kim loại Zn2+,

Pb2+, Cd2+ của axit humic Error! Bookmark not defined

2.5 Xử lý nước thải chứa kim loại nặng bằng axit humicError! Bookmark not defined

3.1 Tách và bảo quản axit humic từ than bùn Error! Bookmark not defined

3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ than bùn và dung dịch NaOH đến hàm

lượng axit humic tách được Error! Bookmark not defined

3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH và điều kiện tách

đến hàm lượng axit humic tách được Error! Bookmark not defined

3.2 So sánh axit humic tách từ các nguồn than bùn khác nhauError! Bookmark not defined

3.2.1 So sánh độ hấp thụ quang của các loại axit humicError! Bookmark not defined

3.2.2 So sánh khả năng xử lý ion Cu2+ của các loại axit humicError! Bookmark not defined

3.3 Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý các ion kim loại

Cu 2+ , Zn 2+ , Pb 2+ , Cd 2+ của axit humic Error! Bookmark not defined

3.3.1 Ảnh hưởng của pH tới khả năng xử lý các ion kim loại Cu2+, Zn2+,

Pb2+, Cd2+ của axit humic Error! Bookmark not defined

3.3.2 Khả năng xử lý các ion kim loại Zn2+, Pb2+, Cd2+ của axit humicError! Bookmark not defined

3.3.3 Ảnh hưởng của Cu2+ và Fe2+ đến khả năng xử lý các ion kim loại Zn2+,

Pb2+, Cd2+ của axit humic Error! Bookmark not defined

3.4 Xử lý nước thải chứa kim loại nặng bằng axit humicError! Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong than bùn ở miền Đông Nam Bộ 9

Bảng 2 Thành phần các nguyên tố của axit humic 9

Bảng 3 Hàm lượng axit humic tách được khi thay đổi tỷ lệ than bùn và dung

dịch NaOH Error! Bookmark not defined

Bảng 4 Hàm lượng axit humic tách được khi thay đổi nồng độ dung dịch

NaOH và điều kiện tách Error! Bookmark not defined

Bảng 5 Kết quả so sánh màu mẫu nước có chứa ion Cu2+ sau xử lý bằng axit

humic với các loại nước theo QCVN 08-MT:2015/BTNMTError! Bookmark not defined

Bảng 6 Kết quả so sánh màu mẫu nước có chứa ion Zn2+ sau xử lý bằng axit

humic với các loại nước theo QCVN 08-MT:2015/BTNMTError! Bookmark not defined

Bảng 7 Kết quả so sánh màu mẫu nước có chứa ion Pb2+ sau xử lý bằng axit

humic với các loại nước theo QCVN 08 : 2008/BTNMTError! Bookmark not defined

Bảng 8 Kết quả so sánh màu mẫu nước có chứa ion Cd2+ sau xử lý bằng axit

humic với các loại nước theo QCVN 08 : 2008/BTNMTError! Bookmark not defined

Bảng 9 Giá trị pH tối ưu đối với quá trình xử lý nước chứa các ion kim loại

Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+ bằng axit humic Error! Bookmark not defined

Bảng 10 Kết quả so sánh màu mẫu nước sau xử lý bằng axit humic với các

loại nước theo QCVN 08-MT:2015/ BTNMTError! Bookmark not defined

Bảng 11 Nồng độ các kim loại nặng trong nước tại xã Đình Dù – huyện Văn

Lâm – tỉnh Hưng Yên trước và sau quá trình xử lý bằng axit humicError! Bookmark not defined

Bảng 12 Nồng độ các kim loại nặng trong nước tại thị trấn Lâm – huyện Ý

Yên – tỉnh Nam Định trước và sau quá trình xử lý bằng axit humicError! Bookmark not defined

Bảng 13 Kết quả so sánh nồng độ các kim loại nặng trong hai mẫu sau xử lý

bằng axit humic với QCVN 08-MT:2015/BTNMTError! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Công thức phân tử của axit humic 10

Hình 2 Sơ đồ quy trình tách axit humic từ than bùn Error! Bookmark not defined

Hình 3 Ảnh hưởng của tỷ lệ than bùn và dung dịch NaOH đến hàm lượng axit

humic tách được Error! Bookmark not defined

Hình 4 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH và điều kiện tách đến hàm

lượng axit humic tách được Error! Bookmark not defined

Hình 5 Độ hấp thụ quang của axit humic tách từ than bùn Trung QuốcError! Bookmark not defined Hình 6 Độ hấp thụ quang của axit humic tách từ than bùn Việt NamError! Bookmark not defined

Hình 7 Xử lý ion Cu2+ bằng các axit humic tách từ các nguồn than bùn khác

nhau tại pH=8, sau 2 giờ Error! Bookmark not defined

Hình 8 Thang màu chuẩn của thuốc thử dithizon khi kiểm tra vết đồngError! Bookmark not defined Hình 9 Vết đồng trong hai mẫu nước sau xử lý Error! Bookmark not defined

Hình 10 Thang màu chuẩn của thuốc thử dithizon khi kiểm tra vết đồngError! Bookmark not defined Hình 11 Thang màu chuẩn của thuốc thử dithizon khi kiểm tra vết kẽmError! Bookmark not defined Hình 12 Thang màu chuẩn của thuốc thử dithizon khi kiểm tra vết chìError! Bookmark not defined Hình 13 Thang màu chuẩn của thuốc thử dithizon khi kiểm tra vết cadimiError! Bookmark not defined

Hình 14 Xử lý nước chứa hỗn hợp các ion Zn2+, Pb2+, Cd2+ bằng axit humic

khi cho thêm Fe2+ và Cu2+ Error! Bookmark not defined

Hình 15 Kiểm tra hai mẫu trước xử lý Error! Bookmark not defined

Hình 16 Kiểm tra hai mẫu sau xử lý Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

MỞ ĐẦU

Nước là một tài nguyên thiên nhiên quý giá, là một trong bốn thành phần cấu tạo của môi trường Nước đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến hầu hết mọi hoạt động của con người Hiện nay, nước ở Việt Nam (cả nước mặt và nước ngầm) đang

bị ô nhiễm nghiêm trọng Đặc biệt, ô nhiễm các kim loại nặng gây ra bởi các hoạt động như sử dụng phân bón, khai thác mỏ, luyện kim, tái chế kim loại tại các làng nghề… đang

là vấn đề rất bức xúc Nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cũng như hoạt động sản xuất của con người Vì thế, xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng là một nhiệm vụ vô cùng cấp thiết

Cho đến nay đã có nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước như phương pháp kết tủa, phương pháp điện hóa, phương pháp hấp phụ và trao đổi ion, phương pháp hấp thu sinh học, phương pháp chuyển hóa sinh học Việc lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp phụ thuộc vào các tiêu chí như tính kinh tế, tính khả thi, tính hiệu quả của từng phương pháp Hiện nay, hướng xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng bằng các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên với giá thành rẻ và an toàn với môi trường đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học

Các kết quả khảo sát địa chất đã cho thấy ở Việt Nam có một lượng than bùn dồi dào, được phân bố hầu như khắp các tỉnh trong cả nước Than bùn được biết đến như một loại đất trong đó có một tỷ lệ tương đối cao của các chất hữu cơ Axit humic là một chất hữu cơ có mặt trong than bùn, với đặc điểm chứa nhiều nhóm chức -OH và –COOH có khả năng tạo phức chất bền với các ion kim loại nặng (từ đó làm giảm nồng độ kim loại nặng trong nước) nên axit humic ngày càng được chú ý trong việc xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng Cho đến nay, đã có những công trình nghiên cứu về khả năng hấp phụ kim loại nặng của axit humic nhằm xử lý ô nhiễm môi trường như nghiên cứu làm giàu và tách các kim loại hiếm và phóng xạ, nghiên cứu khả năng tách các ion Co2+, Mn2+

từ dung dịch nước… Hơn thế nữa, axit humic không gây độc hại đối với con người, vật nuôi và môi trường Hiện nay, axit humic đang được sử dụng phổ biến trong các chế phẩm phân bón gốc và bón lá, chất kích thích sinh trưởng cây trồng, thuốc trừ bệnh cây

và cả thức ăn cho gia súc, gia cầm Mặt khác, phức chất tạo bởi axit humic với các ion kim loại nặng có thể sử dụng làm phân bón trong nông nghiệp

Với các phân tích nêu trên, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng axit humic tách từ than bùn để xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng” Tác giả

hy vọng rằng kết quả nghiên cứu của mình sớm được ứng dụng vào thực tế, góp phần xử

lý các nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng thành các nguồn nước sử dụng được trong sản

xuất cũng như sinh hoạt

Chương 1 – TỔNG QUAN 1.1 Than bùn

1.1.1 Sự hình thành than bùn

Than bùn là sản phẩm chuyển hóa của xác thực vật bởi các con đường khác nhau (chủ yếu bởi sự phân hủy của vi sinh vật) trong điều kiện yếm khí Quá trình này diễn ra tại các vùng trũng ngập nước Các vùng đất ngập nước là những vùng có năng suất sinh học cao, điều kiện phát triển của thực vật rất thuận lợi Lớp thổ nhưỡng tại các vùng này luôn trong điều kiện yếm khí; do đó, mặc dù sinh khối các loài cỏ sống trên mặt nước tăng nhanh, nhưng quá trình phân giải xác thực vật lại xảy ra chậm và không đạt tới giai đoạn vô cơ hoá, dẫn đến tích luỹ hữu cơ Tiếp theo cỏ là lau, lách, cây bụi, cây thân gỗ thay thế, kết hợp với quá trình kiến tạo địa chất, quá trình bồi tụ, lắng đọng phù sa đã chôn vùi kể cả cây thân gỗ, làm cho hữu cơ tích tụ thành các lớp và tạo thành than bùn [7]

Hầu hết các bãi than bùn hiện đại được hình thành ở vĩ độ cao sau khi có sự rút lui của các dòng sông băng ở cuối kỷ băng hà (12.000 năm trước đây) Than bùn thường được tích lũy dần dần, với tốc độ khoảng một milimet mỗi năm Quá trình hình thành than bùn sẽ quyết định các đặc tính của nó như màu sắc, cấu trúc, thành phần các chất hữu cơ, vô cơ… Người ta thấy, than bùn hình thành ở vùng ôn đới có chất lượng tốt hơn khi hình thành ở các vùng khác

1.1.2 Phân bố các vùng đất than bùn trên thế giới

Vùng đất than bùn là những vùng đất có một lớp tích lũy tự nhiên của than

bùn Vùng đất than bùn được tìm thấy trong ít nhất 175 quốc gia và bao gồm khoảng 4.000.000 km² hay 3% diện tích đất của thế giới Một số vùng đất than bùn lớn nhất thế giới bao gồm vùng đất thấp Tây Siberia, vịnh Hudson và thung lũng sông Mackenzie Nam bán cầu có trữ lượng than bùn nhỏ hơn Bắc bán cầu, một phần do có ít đất, nhưng Nam Mỹ lại sở hữu một trong những vùng đất ngập nước lớn nhất thế giới, vùng

Magellanic Moorland rộng lớn với trữ lượng than bùn khổng lồ Indonesia có rừng đất than bùn và rừng ngập mặn nhiệt đới nhiều hơn bất kỳ quốc gia nào khác trên trái đất, nhưng Indonesia đang bị mất đất do ngập nước khoảng 100.000 ha (250.000 mẫu Anh) mỗi năm Việt Nam cũng là một trong số các quốc gia có trữ lượng than bùn tương đối lớn, trải dài từ Bắc vào Nam [14]

1.1.3 Phân loại than bùn

Than bùn có thể được mô tả như một loại đất trong đó có một tỷ lệ tương đối cao của các chất hữu cơ Loại đất này cần được nghiên cứu vì nó bộc lộ những đặc tính không

ổn định Than bùn đã qua sàng và nghiền phân loại, đáp ứng cho tiêu chuẩn sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh có thể chia thành 3 loại sau [15]:

 Than bùn loại 1: hữu cơ tối thiểu 30-35% , màu đen than, độ mịn: qua sàng 3,5mm,

độ ẩm: 20-30%

 Than bùn loại 2: hữu cơ tối thiểu 17-25%, màu đen nhạt lẫn nâu, độ mịn: qua sàng

3,5mm, độ ẩm: 20-30%

 Than bùn loại 3: hữu cơ nhỏ hơn 16%, màu nâu đen, độ mịn: qua sàng 5mm, độ ẩm 20-35%

Ngoài ra, dựa vào khả năng bị phân hủy, than bùn có thể chia thành ba loại là:

fibric, hemic và sapric Fibric ít bị phân hủy nhất và gồm chất xơ còn nguyên vẹn Hemic

là loại bị phân hủy trung bình và sapric là loại bị phân hủy nhiều nhất

1.1.4 Các ứng dụng chính của than bùn

Than bùn được sử dụng trong nhiều ngành kinh tế khác nhau Trong nông nghiệp, than bùn được sử dụng để làm phân bón và để tăng chất hữu cơ cho đất [14] Hàm lượng chất vô cơ nằm trong khoảng 18 – 24%, phần còn lại là các chất hữu cơ Trong nhóm chất hữu cơ, phải nhắc đến axit humic với tác dụng kích thích tăng trưởng của cây Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong than bùn thay đổi tuỳ thuộc vào thành phần các loài thực vật và quá trình phân huỷ của chúng Nhìn chung, các chất dinh dưỡng trong than bùn cao hơn trong phân chuồng, nhưng chủ yếu ở dưới dạng hữu cơ Chúng cần được phân huỷ thành dạng vô cơ cây mới sử dụng được Số liệu phân tích thành phần dinh dưỡng của than bùn ở một số địa điểm thuộc miền Đông Nam Bộ được trình bày trong bảng 1 (số liệu của Hồ Thìn, Võ Đình Ngô – Trung tâm địa học, Phân viện khoa học Việt Nam,

TP Hồ Chí Minh)

Bảng 1 Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong than bùn ở miền Đông Nam Bộ Hàm lượng chất

dinh dưỡng (%)

Địa điểm lấy than bùn

Than bùn có thể được sử dụng làm nhiên liệu [25] Dưới áp lực, nước trong than bùn bị đẩy ra ngoài Sau khi sấy, than bùn có thể được sử dụng làm nhiên liệu ở một số nước, chẳng hạn như Ireland và Phần Lan, nơi nó được khai thác trên quy mô công nghiệp Ở nhiều quốc gia, than bùn được sử dụng để nấu ăn và sưởi ấm

Ngoài ra, than bùn còn được ứng dụng trong một số lĩnh vực khác Tính chất cách điện của than bùn làm cho nó được sử dụng cho một số ngành công nghiệp Người ta có thể sử dụng than bùn trong lọc nước, chẳng hạn như nước thải của bể tự hoại hay nước thải đô thị Than bùn còn được sử dụng rộng rãi trong phương pháp tắm để trị bệnh tại các spa Phương pháp điều trị này có truyền thống rất lâu đời ở châu Âu, đặc biệt là ở Ba Lan, Cộng hòa Séc, Đức và Áo [23]

1.2 Axit humic

1.2.1 Cấu tạo và tính chất của axit humic

Axit humic là một trong ba thành phần chính của hợp chất mùn, đó là một trong những hợp chất hữu cơ quan trọng của đất (đất mùn), than bùn, than đá, nhiều suối miền núi, hồ bị loạn dưỡng và nước biển Nó được tạo ra bởi sự phân hủy các chất hữu cơ sinh học như xác động - thực vật và là sản phẩm phụ của các quá trình trao đổi chất [24] Axit humic hòa tan tốt trong các dung dịch kiềm loãng (NaOH, Na2CO3,

Na4P2O7.10H2O), nhưng không tan trong nước và axit vô cơ Tùy theo nồng độ và loại đất mà các dung dịch axit humic chiết được có màu nâu đen đến màu đen [19]

Thành phần nguyên tố của axit humic chủ yếu bao gồm bốn nguyên tố là C, H, O,

N Hàm lượng các nguyên tố này thay đổi, phụ thuộc vào loại đất, thành phần hoá học của tàn tích sinh vật, điều kiện mùn hoá và phương pháp tách axit humic Theo L N Alexandrova, thành phần trung bình của các nguyên tố C, H, O, N trong axit humic của một

số loại đất chính ở Liên Xô (cũ) được trình bày trong bảng 2 [20]

Bảng 2 Thành phần các nguyên tố của axit humic STT Nguyên tố Thành phần (%)

Ngoài bốn nguyên tố chính kể trên, axit humic còn chứa một lượng nhỏ các nguyên

tố tro (P, S, Al, Fe, Si), hàm lượng tổng số của chúng có thể đạt từ 1 đến 10% Những nguyên tố này không nhất thiết phải có tất cả trong thành phần phân tử của axit humic