Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crôm và chì

Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thị Thùy Dƣơng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẮT NANO XỬ LÝ NƢỚC Ơ NHIỄM CRƠM VÀ CHÌ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước nhiễm crom chì ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thị Thùy Dƣơng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẮT NANO XỬ LÝ NƢỚC Ơ NHIỄM CRƠM VÀ CHÌ Chun ngành: Khoa học Môi Trƣờng Mã số: 60 85 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS LÊ ĐỨC Hà Nội - 2012 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước nhiễm crom chì MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BIỂU ĐỒ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 1.1.1 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.2 1.1.2.1 1.1.2.2 1.1.3 1.1.3.1 1.1.3.2 Tổng quan crom chì N C C N C C Ả Ả Ả 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc thải ô nhi P P P 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.3.2.3 1.3.2.4 1.3.3 1.3.3.1 1.3.3.2 Khái quát nano C V K T C M G T T Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì 1.4 1.4.1 1.4.2 Tổng quan khu công nghiệp Phố Nối A Giới thiệ Hiện trạn CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 2.2 Nội dung nghiên cứu 2.3 2.3.1 2.3.1.1 2.3.1.2 2.3.2 2.3.3 2.3.3.1 2.3.3.2 2.3.4 2.3.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Hóa chất Hố chấ Thiết bị Phƣơng Chuẩn b Điều chế Điều chế Phân tích Khảo s Pb sắt nano, nano lƣỡng kim Đối với C Đối với c Đánh g nano lƣỡng kim 2.3.5.1 2.3.5.2 2.3.6 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết điều chế sắt nano nano lƣỡng kim 3.1.1 Sắt nano 3.1.1.1 Phổ nhiễ 3.1.1.2 Ảnh chụp SEM sắt nano 3.1.1.3 Ảnh chụp 3.1.2 Nano lƣ 3.1.2.1 Phổ nhiễu xạ tia X nano lƣỡng kim 3.1.2.2 Ảnh chụp TEM nano lƣỡng kim Fe-Cu 3.2 Kết khảo sát yếu tố ảnh hƣởng tới q trình xử lý nƣớc nhiễm Cr(VI) Pb sắt nano nano lƣỡng kim…………………………………………….63 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước nhiễm crom chì 3.2.1 Đối với Cr(VI) 72 3.2.2 Đối với chì 79 3.3 Hiện trạng ô nhiễm nƣớc khu công nghiệp Phố Nối A tỉnh Hƣng Yên85 3.4 Đánh giá hiệu xử lý nƣớc ô nhiễm Cr Pb vật liệu sắt nano nano lƣỡng kim 86 3.4.1 Thử nghiệm xử lý Cr 86 3.4.2 Thử nghiệm xử lý chì 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88 Kết luận 88 Kiến nghị 89 PHỤ LỤC 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Lƣợng thải Crom vào khí từ nguồn tự nhiên ngƣời năm 1983………………………………………………………………………………………11 Bảng 2: Hàm lƣợng Cr vào đất từ nguồn nông nghiệp………………………………….14 Bảng 3: Trị số trung bình Cr bùn, cống rãnh thành phố…………….…………….14 Bảng 4: Hàm lƣợng Cr bùn thải toàn cầu 15 Bảng 5: Trữ lƣợng Pb môi trƣờng………… ………………………… .……16 Bảng 6: Hàm lƣợng Pb bùn đất xã Chỉ Đạo ( Hƣng Yên) .19 Bảng : Các chất hợp chất xử lý Fe0 nano……………….…………….38 Bảng 8: Ảnh hƣởng pH đến hiệu xử lý Cr(VI)………………………… …… 63 Bảng 9: Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu xử lý Cr(VI)…….………….65 Bảng 10: Ảnh hƣởng nồng độ Cr(VI) ban đầu…………………………………… 66 Bảng 11: Ảnh hƣởng hàm lƣợng nano đến hiệu xử lý Cr(VI)………… …… 68 Bảng 12: Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hiệu xử lý chì……………… ………69 Bảng 13: Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu xử lý chì…………… ……71 Bảng 14: Ảnh hƣởng nồng độ chì ban đầu………………………………………… 72 Bảng 15: Ảnh hƣởng hàm lƣợng nano đến hiệu xử lý chì…………………… 74 Bảng 16: Kết phân tích mẫu nƣớc thải KCN Phố Nối A ………………………… 75 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì DANH MỤC HÌNH Hình Vịng tuần hồn Cr nhiễm mơi trƣờng……………… ……………10 Hình Vịng tuần hồn Pb, 103 t/năm …………………………………………… 18 Hình Viêm da tiếp xúc Cr…………………………………………………… ….22 Hình Sơ đồ chu chuyển môi trƣờng thâm nhập Pb vào thể ngƣời 24 Hình Hệ nhũ tƣơng nƣớc dầu dầu nƣớc………… ………………….33 Hình Cơ chế hoạt động phƣơng pháp vi nhũ tƣơng…… …………………… 34 Hình Cơ chế hình thành phát triển hạt nano dung dịch…………………….35 Hình Ứng dụng sắt nano mơi trƣờng……………………………………….37 Hình Mơ hình cấu tạo hạt sắt nano phản ứng khử xảy bề mặt hạt Fe nano………………………………………………………………………………………40 Hình 10 Sơ đồ mặt vị trí quy hoạch khu cơng nghiệp Phố Nối A……………… 44 Hình 11 Phổ nhiễu xạ tia X sắt nano……………………………………………….54 Hình 12 Ảnh nhiễu xạ tia X mẫu sắt nano đƣợc điều chế Yuan-Pang Sun, Xiao-Qin Li, Jiasheng Cao, Wei-xian Zhang, H Paul Wang (2006)………………………………55 Hình 13 Ảnh SEM lớp dƣới, khơng sử dụng chất phân tán………………………….56 Hình 14 Ảnh SEM lớp trên, không sử dụng chất phân tán………………………… 57 Hình 15 Mẫu sắt nano điều chế………………………………………………… ….….58 Hình 16 Ảnh TEM phân tử sắt nano điều chế số nhà khoa học khác… …….58 Hình 17 Phổ nhiễu xạ tia X nano lƣỡng kim……………………………………….59 Hình 18 Ảnh nhiễu xạ tia X nano lƣỡng kim Fe – Cu đƣợc chế tạo Chien-Li Lee & Chih-Ju G Jou…………………………………………………………………………60 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì Hình 19 Ảnh chụp TEM phân tử nano lƣỡng kim điều chế …………………….61 Hình 20 Ảnh chụp TEM nano lƣỡng kim Fe-Ni Zhanqiang Fang, Xinhong Qiu, Jinhong Chen, Xiuqi Qiu (2011)……………………………………………………… 61 Hình 21 Cơ chế khử Cr(VI) sắt nano……………………………………………….62 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước nhiễm crom chì DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 1: Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hiệu xử lý Cr(VI)………………… 63 Biểu đồ 2: Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu xử lý Cr(VI)………….….65 Biểu đồ 3: Ảnh hƣởng nồng độ Cr(VI) ban đầu…………… ……………… ……67 Biểu đồ 4: Ảnh hƣởng hàm lƣợng nano đến hiệu xử lý Cr(VI)… ………… 68 Biểu đồ 5: Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hiệu xử lý chì………………………70 Biểu đồ 6: Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu xử lý chì………………… 71 Biều đồ 7: Ảnh hƣởng nồng độ chì………………………………………… ….… 73 Biểu đồ 8: Ảnh hƣởng hàm lƣợng nano đến hiệu xử lý chì………… ……… 74 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước nhiễm crom chì AAS BOD COD DO IARC JECFA LD50 pH QCVN SEM TEM TSS Luận văn Thạc sĩ khoa học Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì [10] Lê Văn Khoa, Nguyễn Xuân Cự, Bùi Thị Ngọc Dung, Lê Đức, Trần Khắc Hiệp, Cái Văn Tranh (2000), “Phương pháp phân tích đất nước phân bón trồng”, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [11] Nguyễn Văn Niệm, (2006) “Đặc điểm địa hóa mơi trường nước ngầm dải ven biển vùng Quảng Nam-Đà Nẵng” Luận văn ThS., Đại học QG Hà Nội [12] Nguyễn Văn Niệm, Mai Trọng Tú, Bũi Hữu Việt, Nguyễn Anhh Tuấn (2006), Đặc điểm địa hoá tác hại ngun tố chì (Pb) mơi trường Việt Nam, Cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam, Phạm Ngũ lão, Hà Nội [13] Nguyễn Thị Nhung, Nguyễn Thị Kim Thƣờng (2008), Nghiên cứu khả tách loại Pb2+ nước nano sắt kim loại, Viện Địa chất, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam [14] Trịnh Thị Thanh (2003), “Độc học môi trường sức khỏe người”, Nhà xuất Quốc Gia, Hà Nội [15] Phạm Văn Thanh, (2006), Nghiên cứu đánh giá trạng nhiễm mặn, nhiễm bẩn khả cung cấp nước sinh hoạt dải ven biển miền trung từ tỉnh Quảng Bình đến tỉnh Quảng Ngãi Lưu trữ ĐC Hà Nội [16] http://vi.wikipedia.org/wiki/Công_nghệ_nano Tiếng Anh [17] Bard, A J., Parsons, R., and Jordan, J (1985) Standard Potentials in Aqueous Solutions (Marcel Dekker, New York) [18] Bartlett, R.J and Kimble, J.M., 1976a Behavior of chromium in soils: I Trivalent forms J Environ Qual., 5: 373 – 383 [19] Bartlett, R.J and Kimble, J.M., 1976a Behavior of chromium in soils: II Hexavalent forms J Environ Qual., 5: 383 – 386 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì [20] Bartlett R.J and James, B R., 1988 Mobility and bioavailability of chromium in soils In : J.O Nraigu and E Nieborer (Editors), Chromium in the Natural and Human Environments Wiley, New York, pp 267 – 303 [21] 209 [22] Boutonnet M., Kizling J and Stenius P (1982) Colloids Surf A Calder, L.M., 1988, Chromium contamination of groundwater, in Chromium in the Natural and Human Environments, Nriagu, J.O and Nieboer, E., Eds., John Wiley and Sons, New York, pp 215 – 231 [23] Cheng, S F., & Wu, S C (2000) The enhancement methods for the degradation of TCE by zero-valent metals Chemosphere, 41, 1263-1270 http://dx.doi.org/10.1016/S0045-6535(99)00530-5 [24] Chien-Li Lee & Chih-Ju G Jou (2012), “Integrating Suspended Copper/Iron Bimetal Nanoparticles and Microwave Irradiation for Treating Chlorobenzene in Aqueous Solution” Environment and Pollution; Vol 1, No 2; 2012 [25] Davis, A and Olsen, R.L., 1995, The Geochemistry of chromium migration and remediation in the subsurface, Ground Water, vol 33, pp 759 – 768 [26] Davis, J.A and Leckie, J.O., 1980, Surface ionization and complexation at the oxide/water interface : III Adsorption of anions, J Colloid Interface Sci., vol 74, pp 32 – 43 [27] [28] D Kim et al., Nanotechnology 17 (2006) 4019 Eary, L.E and Rai, D., 1987 Kinetics of chrome(III) oxidation to chromium(VI) by reaction with manganese dioxide Environ Sci Technol., 21: 1187 – 1193 [29] Eary, L.E and Rai, D., 1988 Chromate removal from aqueous wastes by reduction with ferrous ion Environ Sci Technol., 22: 972 – 977 [30] Eary, L.E and Rai, D., 1989, Kinetics of chromate reduction by ferrous ions derived from hematice and biotile at 25°C Am J Sci., 289 : 180 – 213 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì [31] F He and D Y Zhao, “Preparation and characterization of a new class of starch-stabilized bimetallic nanoparticles for degradation of chlorinated hydrocarbons in water,” Environmental Science and Technology, Vol 39, No 9, pp 3314–3320, 2005 [32] F Mafune et al., J Phys Chem 14 (2000) 8333 [33] Feltin N and Pileni M P (1997) Langmuir 13 3927 [34] Hem, J.D., 1977, Reactions of metal ions at surfaces of hydrous iron oxide, Geochim Cosmoschim Acta, vol 41, pp 527 – 538 [35] James, B.R., 1996, The challenge of remediation chromium contaminated soil, Environ Sci Technol., vol 30, pp 248 – 251 [36] Kimbrough, D.E., Cohen, Y., Winer, A.M., Creelman, L., and Mabuni, C., 1999, A critical assessment of chromium in the environment, in Critical Reviews, Environmental Science and Technology, vol 29, pp – 46 [37] Kotas, J and Stasicka, Z., 2000, Chromium occurrence in the environmental and methods of its speciation, Environ Poll Vol 107, pp 263 – 283 [38] Kumar A., Mona G (2005) Biomaterials 26 3995–4021 [39] Kunwar P Singh, Arun K Singh, Shikha Gupta, Sarita Sinha, “Optimization of Cr(VI) reduction by zero-valent bimetallic nanoparticles using the response surface modeling approach”, Desalination 270 (2011) 275–284 [40] Lien, H L., & Zhang, W X (2001) Nanoscale iron particles for complete reduction of chlorinated ethenes Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 191, 97-105 http://dx.doi.org/10.1016/S0927- 7757(01)00767-1 [41] Li X., Daniel W.E., and Zhang W (2006), “Zero-valent iron nanoparticles for Abatement of Environmental Pollutants: Materials and Engineering Aspects”, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 31:111–122, 2006 [42] Liou, Y H., Lo, S L., Lin, C J., Kuan, W H., & Weng, S C (2005) Chemical reduction of an unbuffered nitrate solution using catalyzed and uncatalyzed Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì nanoscale iron particles Journal of Hazardous Materials B, 127, 102-110 http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.06.029 [43] Lin, C J., Lo, S L., & Liou, Y H (2004) Dechlorination of trichloroethylene in aqueous solution by noble metal-modified iron Journal of Hazardous Materials, B116, 219-228 http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2004.09.005 [46] [44] Lopez Q M and Rivas J (1993) J Colloid Interface Sci 158 446 [45] Massart R and Cabuil V (1987) J Chem Phys 84 967 M.J Alowitz,M.M Scherer, Kinetics of nitrate, nitrite, and Cr(VI) reduction by iron metal, Environ Sci Technol 36 (2002) 299–306 [47] [48] Nanoparticle Research 5: 323-332, wez3@lehigh.edu Palmer, C.D and Puls, R.W., 1994, Natural attenuation of hexavalent chromium in groundwater and soils, Ground Water, EPA/540/S-94/505 [49] Rai, D., Sass, B.M and Moore, D.A., (1987) Chromium(III) hydrolysis constants and solubility of chromium(III) hydroxide Inorg Chem., 26: 345 - 349 [50] Richard, F.C and Bourg, A.C.M., 1991, Aqueous geochemistry of chromium: a review, Wat Res., vol 25, pp 807 – 816 [51] Schaumburg, IL 60173, (2005), “RNIP Reactive Nanoscale Iron Particles for rapid remediation of contaiminated groundwater and soil”, Toda America Inc, www.todaamerica.com [52]Sugimoto T and Matijevic E (1980) J Colloid Interface Sci 74 227 [53] Xiao-qin Li, Daniel W.Elliot, and Wei-xian (2006), “Zero-Valent Iron Nanoparticles for Abatement of Environment Pollutants: Materials and Engineering [54] Xu, J., Dozier, A., and Bhattacharyya, D (2005a) Synthesis of nanoscale bimetallic particles in polyelectrolyte membrane matrix for reductive transformation of halogenated organic compounds J Nanopart Res 7, 449 – 461 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì [55] Yang-hsin Shih, Chung-yu Hsu, Yuh-fan Su (2011), “Reduction of haxachlorobenzene by nanoscale zero-valent iron: Kinetics, pH effect, and degradation mechanism” Separation and Purification Technology 76, 268-274 [56] Yuan-Pang Sun, Xiao-lin Li, Jiasheng Cao, Wei-xian Zhang, H.Paul Wang (2006), “Characterization of zero-valent iron nanoparticles” Advandes in Colloid and Interface Science 120, 47-56 [57] Yu-Hoon Hwang, Do-Gun Kim, Hang-Sik Shin (2011), “Mechanism study of nitrate reduction by nano zero valent iron” Journal of Hazardous Materials 185, 1513-1521 [58] Yunfei Xi, Magharaj Mallavarapu, Ravendra Naidu (2010), “Reduction and adsorption of Pb2+ in aqueous solution by nano-zero-valent iron-A SEM, TEM and XPS study” Materials Research Bulletin 45, 1361-1367 [59] Zhanqiang Fang, Xinhong Qiu, Jinhong Chen, Xiuqi Qiu (2011), “Removal of chromium in electroplating wastewater by nanoscale zero – valent metal with synergistic effect of reduction and immobilization”, Journal of Hazardous Materials 280 (2011) 224–231 [60] Zhanqiang Fang, Xinhong Qiu, Jinhong Chen, Xiuqi Qiu (2011), “Debromination of polybrominated diphenyl ethers by Ni/Fe bimetallic nanoparticles: Influencing factors, kinetics, and mechanism” Journal of Hazardous Materials 185 (2011) 958–969 [61] Zhang W., (2003), “Nanoscale iron could help cleanse the environment”, Journal of Sugimoto T and Matijevic E (1980) J Colloid Interface Sci 74 227 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước nhiễm crom chì PHỤ LỤC Phụ lục 1: Các dạng tồn Crom tự nhiên Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì Crơm (III) Clorit CrCl3 Natri Cromat Na2CrO4 Crôm (VI) oxit CrO3 Crocoite PbCrO4 Crôm thành phần tạo màu đỏ hồng ngọc Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước nhiễm crom chì Phụ lục 2: Vật liệu nano Cấu trúc ống nanô cácbon Minh họa cho phân tử nano phóng thích thuốc bị tác động xạ điện từ Phụ lục Một số hình ảnh trình thực nghiệm Quá trình nhỏ NaBH4 Vật liệu lắng xuống nhờ nam châm Luận văn Thạc sĩ khoa học Máy khuấy từ Vật liệu lắng đáy cốc Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì Vật liệu tạo thành Vật liệu bảo quản bình hút ẩm Phụ lục 4: Hệ thống xử lý nước thải tập trung Khu công nghiệp Phố Nối A Lưới lọc rác Bể điều hòa Luận văn Thạc sĩ khoa học Ngăn tách cát Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì Bể lắng cuối Nơi chứa bùn thải Luận văn Thạc sĩ khoa học Bể khử trùng Cống xả sông Bún .. .Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thị Thùy Dƣơng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẮT NANO XỬ LÝ NƢỚC Ơ NHIỄM... nghiên cứu đề tài bao gồm nội dung sau: - Nghiên cứu trình chế tạo sắt nano nano lƣỡng kim Nghiên cứu số yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu xử lý nƣớc thải ô nhiễm crôm chì sắt nano nano lƣỡng kim - Ứng. .. hiệu xử lý chì? ??……… ……… 74 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom chì AAS BOD COD DO IARC JECFA LD50 pH QCVN SEM TEM TSS Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu