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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 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 mơi trƣờng Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN HỒNG CÔN PGS TS NGUYỄN TRƢỜNG SƠN Hà Nội – 2016 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU Chương – TỔNG QUAN 1.1 Than bùn 1.1.1 Sự hình thành than bùn 1.1.2 Phân bố vùng đất than bùn giới 1.1.3 Phân loại than bùn 1.1.4 Các ứng dụng than bùn 1.2 Axit humic 1.2.1 Cấu tạo tính chất axit humic 1.2.2 Ứng dụng axit humic nông nghiệp mơi trƣờng 1.3 Ơ nhiễm kim loại nặng môi trƣờng nƣớc 1.3.1 Tình hình nhiễm kim loại nặng môi trƣờng nƣớc 1.3.2 Ảnh hƣởng sinh hóa kim loại nặng ngƣời sinh vật 10 1.4 Các phƣơng pháp xử lý nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng 11 1.4.1 Phƣơng pháp kết tủa 11 1.4.2 Phƣơng pháp điện hóa 12 1.4.3 Phƣơng pháp hấp phụ trao đổi ion 13 1.4.4 Phƣơng pháp hấp thu sinh học 14 1.4.5 Phƣơng pháp chuyển hóa sinh học 15 1.5 Một số phƣơng pháp đánh giá hàm lƣợng kim loại nặng nƣớc 16 1.6 Khả sử dụng axit humic hợp chất tƣơng tự xử lý nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng 17 i Chương – THỰC NGHIỆM 20 2.1 Vật liệu, hóa chất 20 2.2 Tách bảo quản axit humic từ than bùn 20 2.2.1 Quy trình tách axit humic từ than bùn 20 2.2.2 Khảo sát ảnh hƣởng tỷ lệ than bùn dung dịch NaOH đến hàm lƣợng axit humic tách đƣợc 21 2.2.3 Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ dung dịch NaOH điều kiện tách đến hàm lƣợng axit humic tách đƣợc 22 2.2.4 Bảo quản axit humic 22 2.3 So sánh axit humic tách từ nguồn than bùn khác .23 2.3.1 So sánh độ hấp thụ quang loại axit humic 23 2.3.2 So sánh khả xử lý ion Cu 2.4 2+ loại axit humic 23 Xác định yếu tố ảnh hƣởng đến khả xử lý ion kim loại 2+ 2+ 2+ Cu , Zn , Pb , Cd 2+ axit humic 25 2+ 2+ 2.4.1 Ảnh hƣởng pH tới khả xử lý ion kim loại Cu , Zn , 2+ Pb , Cd 2+ axit humic 25 2+ 2+ 2.4.2 Khả xử lý ion kim loại Zn , Pb , Cd 2+ axit humic 25 2.4.3 Ảnh hƣởng Cu2+ Fe2+ đến khả xử lý ion kim loại Zn2+, 2+ Pb , Cd 2.5 2+ axit humic 26 Xử lý nƣớc thải chứa kim loại nặng axit humic 27 Chương – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Tách bảo quản axit humic từ than bùn 28 3.1.1 Khảo sát ảnh hƣởng tỷ lệ than bùn dung dịch NaOH đến hàm lƣợng axit humic tách đƣợc 28 3.1.2 Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ dung dịch NaOH điều kiện tách đến hàm lƣợng axit humic tách đƣợc 29 3.2 So sánh axit humic tách từ nguồn than bùn khác .31 3.2.1 So sánh độ hấp thụ quang loại axit humic 31 3.2.2 So sánh khả xử lý ion Cu 2+ loại axit humic 32 ii 3.3 Xác định yếu tố ảnh hƣởng đến khả xử lý ion kim loại 2+ 2+ 2+ Cu , Zn , Pb , Cd 2+ axit humic 34 2+ 2+ 3.3.1 Ảnh hƣởng pH tới khả xử lý ion kim loại Cu , Zn , 2+ Pb , Cd 2+ axit humic 34 2+ 2+ 3.3.2 Khả xử lý ion kim loại Zn , Pb , Cd 2+ axit humic 39 3.3.3 Ảnh hƣởng Cu2+ Fe2+ đến khả xử lý ion kim loại Zn2+, 2+ Pb , Cd 3.4 2+ axit humic 39 Xử lý nƣớc thải chứa kim loại nặng axit humic 40 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 49 iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Hàm lƣợng chất dinh dƣỡng than bùn miền Đông Nam Bộ Bảng Thành phần nguyên tố axit humic Bảng Hàm lƣợng axit humic tách đƣợc thay đổi tỷ lệ than bùn dung dịch NaOH 28 Bảng Hàm lƣợng axit humic tách đƣợc thay đổi nồng độ dung dịch NaOH điều kiện tách 29 Bảng Kết so sánh màu mẫu nƣớc có chứa ion Cu 2+ sau xử lý axit humic với loại nƣớc theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT 37 Bảng Kết so sánh màu mẫu nƣớc có chứa ion Zn 2+ sau xử lý axit humic với loại nƣớc theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT 37 Bảng Kết so sánh màu mẫu nƣớc có chứa ion Pb 2+ sau xử lý axit humic với loại nƣớc theo QCVN 08 : 2008/BTNMT 38 Bảng Kết so sánh màu mẫu nƣớc có chứa ion Cd 2+ sau xử lý axit humic với loại nƣớc theo QCVN 08 : 2008/BTNMT 38 Bảng Giá trị pH tối ƣu trình xử lý nƣớc chứa ion kim loại 2+ 2+ 2+ Cu , Zn , Pb , Cd 2+ axit humic 39 Bảng 10 Kết so sánh màu mẫu nƣớc sau xử lý axit humic với loại nƣớc theo QCVN 08-MT:2015/ BTNMT 39 Bảng 11 Nồng độ kim loại nặng nƣớc xã Đình Dù – huyện Văn Lâm – tỉnh Hƣng Yên trƣớc sau trình xử lý axit humic .42 Bảng 12 Nồng độ kim loại nặng nƣớc thị trấn Lâm – huyện Ý Yên – tỉnh Nam Định trƣớc sau trình xử lý axit humic 42 Bảng 13 Kết so sánh nồng độ kim loại nặng hai mẫu sau xử lý axit humic với QCVN 08-MT:2015/BTNMT 43 iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Cơng thức phân tử axit humic Hình Sơ đồ quy trình tách axit humic từ than bùn 21 Hình Ảnh hƣởng tỷ lệ than bùn dung dịch NaOH đến hàm lƣợng axit humic tách đƣợc 28 Hình Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch NaOH điều kiện tách đến hàm lƣợng axit humic tách đƣợc 30 Hình Độ hấp thụ quang axit humic tách từ than bùn Trung Quốc .31 Hình Độ hấp thụ quang axit humic tách từ than bùn Việt Nam 32 Hình Xử lý ion Cu 2+ axit humic tách từ nguồn than bùn khác pH=8, sau 32 Hình Thang màu chuẩn thuốc thử dithizon kiểm tra vết đồng 33 Hình Vết đồng hai mẫu nƣớc sau xử lý 33 Hình 10 Thang màu chuẩn thuốc thử dithizon kiểm tra vết đồng 34 Hình 11 Thang màu chuẩn thuốc thử dithizon kiểm tra vết kẽm 35 Hình 12 Thang màu chuẩn thuốc thử dithizon kiểm tra vết chì .36 Hình 13 Thang màu chuẩn thuốc thử dithizon kiểm tra vết cadimi 36 2+ 2+ Hình 14 Xử lý nƣớc chứa hỗn hợp ion Zn , Pb , Cd cho thêm Fe 2+ 2+ axit humic 2+ Cu 40 Hình 15 Kiểm tra hai mẫu trƣớc xử lý 41 Hình 16 Kiểm tra hai mẫu sau xử lý 41 v BTNMT CT NXB QCVN TCVN vi MỞ ĐẦU Nƣớc tài nguyên thiên nhiên quý giá, bốn thành phần cấu tạo mơi trƣờng Nƣớc đóng vai trò quan trọng ảnh hƣởng trực tiếp đến hầu hết hoạt động ngƣời Hiện nay, nƣớc Việt Nam (cả nƣớc mặt nƣớc ngầm) bị ô nhiễm nghiêm trọng Đặc biệt, ô nhiễm kim loại nặng gây hoạt động nhƣ sử dụng phân bón, khai thác mỏ, luyện kim, tái chế kim loại làng nghề… vấn đề xúc Nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe nhƣ hoạt động sản xuất ngƣời Vì thế, xử lý nƣớc ô nhiễm kim loại nặng nhiệm vụ vô cấp thiết Cho đến có nhiều phƣơng pháp xử lý kim loại nặng nƣớc nhƣ phƣơng pháp kết tủa, phƣơng pháp điện hóa, phƣơng pháp hấp phụ trao đổi ion, phƣơng pháp hấp thu sinh học, phƣơng pháp chuyển hóa sinh học Việc lựa chọn phƣơng pháp xử lý thích hợp phụ thuộc vào tiêu chí nhƣ tính kinh tế, tính khả thi, tính hiệu phƣơng pháp Hiện nay, hƣớng xử lý nƣớc ô nhiễm kim loại nặng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên với giá thành rẻ an tồn với mơi trƣờng thu hút quan tâm nhà khoa học Các kết khảo sát địa chất cho thấy Việt Nam có lƣợng than bùn dồi dào, đƣợc phân bố hầu nhƣ khắp tỉnh nƣớc Than bùn đƣợc biết đến nhƣ loại đất có tỷ lệ tƣơng đối cao chất hữu Axit humic chất hữu có mặt than bùn, với đặc điểm chứa nhiều nhóm chức -OH – COOH có khả tạo phức chất bền với ion kim loại nặng (từ làm giảm nồng độ kim loại nặng nƣớc) nên axit humic ngày đƣợc ý việc xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng Cho đến nay, có cơng trình nghiên cứu khả hấp phụ kim loại nặng axit humic nhằm xử lý ô nhiễm môi trƣờng nhƣ nghiên cứu làm giàu tách kim loại phóng xạ, nghiên cứu khả 2+ tách ion Co , Mn 2+ từ dung dịch nƣớc… Hơn nữa, axit humic không gây độc hại ngƣời, vật nuôi môi trƣờng Hiện nay, axit humic đƣợc sử dụng phổ biến chế phẩm phân bón gốc bón lá, chất kích thích sinh trƣởng trồng, thuốc trừ bệnh thức ăn cho gia súc, gia cầm Mặt khác, phức chất tạo axit humic với ion kim loại nặng sử dụng làm phân bón nơng nghiệp Với phân tích nêu trên, tiến hành thực 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 kết nghiên cứu sớm đƣợc ứng dụng vào thực tế, góp phần xử lý nguồn nƣớc ô nhiễm kim loại nặng thành nguồn nƣớc sử dụng đƣợc sản xuất nhƣ sinh hoạt 42 Kết phân tích cho thấy, điều kiện nghiên cứu có mơi trƣờng pH = 7, hàm lƣợng kim loại nặng nƣớc sau trình xử lý giảm nhiều so với mẫu nƣớc trƣớc trình xử lý Với mẫu nƣớc xã Đình Dù, hàm lƣợng đồng giảm từ 0,0117 mg/l xuống cịn 0,0062 mg/l Khơng thế, kim loại nhƣ Ni, Zn, Cr, Cd, Pb, As axit humic xử lý tốt Ví dụ, nồng độ cadimi (mẫu xã Đình Dù) ban đầu 0,1356 mg/l nhƣng sau xử lý thấp (0,0094 mg/l) nồng độ chì (mẫu thị trấn Lâm) giảm đƣợc khoảng gần lần so với nồng độ ban đầu Do đó, sử dụng phƣơng pháp axit humic để xử lý kim loại nặng nƣớc hƣớng tốt mang lại hiệu cao Kết dự đoán phƣơng pháp so màu mắt với thuốc thử dithizon hồn tồn Vì vậy, phƣơng pháp đƣợc áp dụng để kiểm tra nhanh có mặt kim loại nƣớc Kết so sánh nồng độ kim loại nặng hai mẫu sau xử lý axit humic với quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT đƣợc trình bày bảng 13 Bảng 13 Kết so sánh nồng độ kim loại nặng hai mẫu sau xử lý axit humic với QCVN 08-MT:2015/BTNMT STT 43 Nhận xét: Chất lƣợng nƣớc hai mẫu sau trình xử lý axit humic có hàm lƣợng kim loại thấp nhiều so với tiêu chuẩn mức A1 Đây kết tốt, đƣa nghiên cứu vào áp dụng thực tế Với hy vọng, nƣớc sau trình xử lý khơng đƣợc dùng cho mục đích sinh hoạt mà phục vụ cho ăn uống 44 KẾT LUẬN Quy trình tối ƣu, đơn giản tiết kiệm để tách bảo quản axit humic từ than bùn nhƣ sau:      Kiềm hóa than bùn dung dịch NaOH 0,4 M Hỗn hợp đƣợc pha theo tỷ lệ 1:10 (g/ml) Xử lý cách ngâm qua đêm Mang hỗn hợp lọc lấy dịch Sử dụng dung dịch H2SO4 2M axit hóa dịch lọc khoảng pH để axit humic bị kết tủa  Lọc lấy kết tủa (rửa - lần với nƣớc cất)  Sấy khô kết tủa 105 C đến khối lƣợng không thay đổi, ta thu đƣợc bột axit humic tinh khiết  Axit humic đƣợc bảo quản cách cho vào lọ kín, để nơi khơ thống giữ nhiệt độ phịng Axit humic tách từ than bùn nƣớc hoàn tồn sử dụng để xử lý nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng 2+ 2+ 2+ Axit humic có khả xử lý tốt ion kim loại Cu , Zn , Pb , Cd 2+ 2+ Để tăng hiệu xử lý ion kim loại Zn , Pb , Cd sung thêm lƣợng ion Cu 2+ Fe 2+ 2+ axit humic nên bổ 2+ Axit humic xử lý thành công kim loại nặng có hai mẫu nƣớc thải thực tế 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT Lê Huy Bá (2008), Độc học môi trường bản, NXB Đại học Quốc gia, TP.HCM Bộ Khoa học Công nghệ (2015), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nƣớc thải công nghiệp Bộ Tài Nguyên Môi trƣờng (2015), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08-MT:2015/ BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng nƣớc mặt Bùi Duy Cam, Phạm Văn Tình (1998), Khả tách ion Co(II) ,Mn(II) U(VI) từ dung dịch nước axit humic, Tạp chí Khoa học, ĐH Quốc gia Hà Nội, T14, số 4, trang 8-13 Bùi Duy Cam, Phạm Văn Tình (2002), Tách giữ kim loại nặng chì, đồng, niken, crôm thôri từ dung dịch môi trường axit yếu cột axit humic, Tạp chí Khoa học, ĐH Quốc gia Hà Nội, T18, số Đặng Kim Chi (1999), Hóa học mơi trường, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Trần Văn Chính (2006), Giáo trình Thổ nhưỡng học, NXB Nơng nghiệp, Hà Nội Hoàng Ngọc Hiền, Lê Hữu Thiềng (2008), Nghiên cứu khả hấp phụ 2+ 2+ Cu Pb vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía, Tạp chí Phân tích hóa, lý sinh học, Tập 13, số 2+ 3+ Phan Hoàng Minh Huy (2010), Nghiên cứu loại bỏ Ni , Cr , Zn 2+ nước thải mạ điện vật liệu hấp phụ sinh học, Luận văn thạc sĩ, trƣờng Đại học Đà Lạt 10 Võ Văn Huỳnh (2012), Nghiên cứu, thăm dò phương pháp xử lý kim loại nặng chất hấp phụ sinh học có nguồn gốc từ chất thải thủy sản (chitosan), Luận văn tốt nghiệp, trƣờng Đại học Nha Trang 2+ 11 Đỗ Thị Trà Hƣơng (2008), Nghiên cứu khả hấp phụ ion Cu , Ni 2+ than bùn Việt Yên – Bắc Giang, Tạp chí Khoa học công nghệ, số 71, trang 46 34-37 12 Đặng Đình Kim (2000), Nghiên cứu cơng nghệ xử lý nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng (Pb, Hg, Ni, Cr, Cu) phương pháp hóa học sinh học, Trung tâm thông tin – tƣ liệu, Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam 13 Đặng Đình Kim (2003), Xử lý ô nhiễm số kim loại nặng nước thải công nghiệp phương pháp sinh học, Trung tâm thông tin – tƣ liệu, Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam 14 Võ Đình Ngộ, Nguyễn Siêu Nhân, Trần Mạnh Trí (1997), Than bùn Việt Nam sử dụng than bùn nông nghiệp, NXB Nông nghiệp, TP.HCM 15 Nguyễn Quốc Thắng (2010), Nghiên cứu chế tạo axit humic khảo sát khả tạo phức với nguyên tố dinh dưỡng trồng ứng dụng phân bón, Luận văn tốt nghiệp, Đại học Cần Thơ 16 Phạm Văn Tình, Lƣu Minh Đại (1997), Kết tủa ion Th(IV) Pb(II) axit humic, Tạp chí Hóa học, T35, số 2: 66-69 17 Ngô Thị Mai Việt, Phạm Tiến Đức, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu, Chu Đình Bính (2008), Đánh giá khả hấp phụ số ion kim loại nặng đá ong biến tính, Tạp chí Phân tích hóa, lý sinh học, Tập 13, số 18 Trịnh Thị Yến (2015), Sử dụng axit humic kết tủa ion Cu 2+ nước, Khóa luận tốt nghiệp, Học viện Nơng nghiệp Việt Nam TÀI LIỆU TIẾNG ANH 19 Afghan B.K., A.S.Y Chan (1989), Analysis of organic trace in the aquatic environment, C.R.S Press, Boca Raton, Flori 20 Aleksandrov I.V., G.I Kandelaki (1994), Zeolite-humic sorbents for effluent purification, Khimiya Trerdogo Toplica Rossiiskaya Akademiya Nauk 21 Bulman Robert A et al (1997), Investigations of the uptake of transuranic radionuclides by humic and furic acids chemically immobilized on silicagel and their competitive release by comlexing agents, Waste management, Vol 17, page 22-24 22 Yates, Leland M III., Von Wandruszka, Ray (1999), Decontamination of 47 polluted water by treatment with a crude humic acid blend, Environmental science and Technology, Volum 33, issue 12, page 14-16 TÀI LIỆU INTERNET 23 International Peat Society, Peat Balneology, Medicine and Therapeutics 24 Nguyễn Mạnh Chinh Sử dụng axit humic cho http://nongnghiep.vn/su-dung-axit-humic-cho-cay-trong-post76236.html trồng Chủ nhật, 24/4/2016 25 Peatlands Park ASSI, NI Environment Agency, Retrieved 14 August 2010 26 Sitto Việt Nam Phân bón chứa thành phần humic acid Http://www.sittovietnam.com/trung-tam-kien-thuc/1546/humic-total.html/ Chủ nhật, 24/4/2016 48 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 49 PHỤ LỤC QCVN 08-MT: 2015/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt 50 PHỤ LỤC QCVN 40:2011/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước thải công nghiệp 51 PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CÁC MẪU NƯỚC TRÊN MÁY ICP-MS 52 ... humic với ion kim loại nặng sử dụng làm phân bón nơng nghiệp Với phân tích nêu trên, tiến hành thực đề tài: ? ?Nghiên cứu sử dụng axit humic tách từ than bùn để xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng? ??... ion kim loại nên axit humic đƣợc sử dụng để làm nƣớc Đã có cơng trình nghiên cứu khả hấp phụ kim loại nặng axit humic nhằm xử lý ô nhiễm môi trƣờng, nhƣ nghiên cứu sử dụng axit humic làm giàu kim. .. hai loại axit humic đƣợc thể hình axit humic tách từ nguồn than bùn khác pH=8, sau Trong đó: Cốc 1: nƣớc đƣợc xử lý axit humic tách từ than bùn Việt Nam Cốc 2: nƣớc đƣợc xử lý axit humic tách từ