Nghiên cứu loại bỏ asen trong nước ngầm để sản xuất nước sinh hoạt bằng vật liệu hỗn hợp fe oh 3 mno2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN • • • • ********* ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÁP ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI NGHIÊN CỨU LOẠI BỎ ASEN TRONG NƯỚC NGÀM ĐẺ SẢN XUẤT NƯỚC SINH HOẠT BẰNG VẬT LIỆU HỎN HỢP Fe(OH)3- MnOi M Ã SỐ: Q T- 09-19 CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI: ThS NGUYỄN THỊ HẠNH ' ĐẠI HOC WUOC G ia mụi ■ÕụNG TẨM THÔNG TIN THỤ VIỆN m Ị Q ĩ b _ HẢ NỘI - 2010 BÁO CÁO TÓM TẤT 1) Tên đề tài: “Nghiên cứu loại bỏ asen nước ngầm để sản xuất nước sinh hoạt vật liệu hỗn hợp Fe(OH )3 - M n 2” Mã số: QT-09-19 2) C hủ trì: ThS Nguyễn Thị Hạnh 3) Người tham gia: CN: Đỗ Duy Nam, Vũ Mai Hương 4) Mục đích nội dung nghiên cứu a) M ục đích: Chể tạo vật liệu hỗn hợp Fe(OH )3 - M n vật liệu hỗn hợp Fe(OH )3 - M n mang than hoạt tính Sử dụng vật liệu chế tạo loại bỏ asen nước ngầm để sản xuất nước sinh hoạt b) N ội dung nghiên cứu: Chế tạo vật liệu hỗn hợp Fe(OH )3 - M n mang than hoạt tính Nghiên cứu đặc trưng vật liệu thu phương pháp vật lý hóa lý c) nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình hẩp phụ vật liệu Cụ thể sau: - Chuẩn bị F eS 04, K M n0 số hóa chất khác - Chuẩn bị than hoạt tính - Chế tạo hỗn hợp Fe(OH )3 - M n - Cố định hỗn hợp Fe(OH )3 - M n than hoạt tính - Khảo sát hình thái học số tính chất vật lý đặc trưng vật liệu thiết bị đại - Khảo sát ảnh hưởng pH, thời gian đạt cân bàng hấp phụ tải trọng hấp phụ cực đại (qMax )của vật liệu -Khảo sát hấp phụ tĩnh vật liệu đổi với As(III) hấp phụ động As(III) As(V) - Nghiên cứu trình giải hấp dung dịch NaOH 5) Kết thu được: a) N ội dung khoa học: - Đã chế tạo thành công vật liệu hỗn hợp Fe(OH )3 - M n mang than hoạt tính khảo sát sổ tính chất vật lý đặc trưng vật liệu chụp nhiễu xạ tia X, chụp kính hiển vi điện tử quét SEM chụp BET - Khảo sát thu điều kiện tối ưu cho trình hấp phụ asen vật liệu hỗn hợp Fe(OH )3 - M n mang than hoạt tính Cụ thể: Ở nồng độ pH = 7, thời gian hấp phụ đổi với As(III) As(V) Tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu As(III) 39,84 mg/g, As(V) 40,16 mg/g - Khả hấp phụ động vật liệu tương đối tốt giải hấp dung dịch NaOH loãng cho hiệu cao b) Bài báo khoa học: Nguyễn Đình Bảng, Nguyễn Thị Hạnh, Đỗ Duy Nam “nghiên cícu tách loại asen từ dung dịch nước bang vật liệu ôxit hon hợp Fe-Mn cổ định than hoạt tỉnh Đã gửi đăng tạp chí Hóa, Lý Sinh học c) Kết đào tạo: Hỗ trợ đào tạo học viên Cao học “Điều chế khảo sát khả tách loại asen ôxit hon hợp Fe- Mn Học viên Cao học: Đỗ Duy Nam - K I - ngành Hóa học Mơi trường 6) Tinh hình kinh p h ỉ để tài: Tổng kinh phí cấp: 25.000.000 đồng Đã chi: 25.000.000 đồng KHOA OUẢN LÍ CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI PGS TSKH Luu Văn Bôi ThS Nguyễn Thị Hạnh C QUAN CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI SUMMARY REPORT OF THE SCIENTIFIC RESEARCH SUBJECT / Title o f subject: "Removal o f arsenic from ground water for producing drink water by using mixed material Fe(OH )3 - M n 2" Code: QT-09-19 H ead o f Subject: MSc Nguyen Thi Hanh Participants: BSc Do Duy Nam, Vu Mai Huong Purpose and content o f research: a Purpose: Manufacture mixed material Fe(OH )3 - M n immobilized on activated carbon.; Research on the characteristics o f materials obtained by physical and physiochemical methods b Content: Manufacture mixed material Fe(OH )3 - M n and mixed material Fe(OH )3 - M n immobilized on activated carbon Research on the characteristics o f materials obtained by physical and physiochemical methods, research on the effects o f the factors on the arsen adsorption Detail: s Preparation o f F e S 4, KM 11O4 and some other chemicals s Preparation o f activated carbon * Manufacture mixed material Fe(OH )3 - M n immobilized on activated carbon s Determination o f physical and chemical properties o f adsorption material by some morden methods ■S Research on the effect o f pH, contact time on the adsorption ability and determine maximum adsorption capacity o f mixed material Research on the adsorption of material in two conditions: motive and non motive The obtained results a The main results in science and technology s Manufactured Adsorption material and studies physical and chemical properties o f it ■S The effects o f pH and contact time on the treatment efficiecies was investigated; the results show that the optimum conditons were pH o f 7, contact time is hours for As(III) and hours for As(V) At the above conditions The maximum adsorption capacity of mixed material Fe(OH )3 M n immobilized on activated carbon for As(III) were 39,84 mg/g and As(V) were 40,16 mg/g s The desorption by sodium hydroxide solution b Results in training Supported 01 graduated student who study of Master in chemical environment “Manufacture and study on Removal o f arsenic capacity' by mixed material Fe-Mn c Publications Nguyen Dinh Bang, Nguyen Thi Hanh, Do Duy Nam “Studv removal o f arsenic from aqueous solution by mixed material Fe-Mn immobilized on activated c a r b o n posted on the chemistry, physics and biology magazine Head o f the Subject MSc Nguyen Thi Hanh MỤC LỤC Mở đầu Chương Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung asen 1.2 Tính chất hố lý asen 1.3 Một số hợp chất quan trọng asen 1.4 Độc tính asen 1.4.1 Cơ chế gây độc asen 1.4.2 Độc tính asen 1.5 Tinh trạng nhiễm asen giới Việt Nam 1.5.1 Ô nhiễm asen giói 1.5.2 Ơ nhiễm asen việt nam 1.6 Một số phương pháp xử lý asen 1.6 Các phương pháp hoá học 1.6.2 Các phương pháp hoá lý 10 1.6.3 Các phương pháp xử lý asen nghiên cứu áp dụng 14 Việt Nam 1.7 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ 14 Chương Thực nghiệm 18 2.1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu 18 2.2 Hoá chất, dụng cụ 18 2.3 Phương pháp phân tích asen phương pháp thủy ngân brơmua 19 2.4 Các phương pháp thực nghiệm 20 2.4.1 Chế tạo vật liệu ôxit hỗn hợp Fe - Mn (VL1) 20 2.4.2 Chế tạo vật liệu ôxit hỗn hợp Fe - Mn mang than hoat tính(VL2) 21 2.4.3 Khảo sát khả nãng hấp phụ tĩnh VL1 As(III) 21 2.4.4 Khảo sát khả hấp phụ tĩnh VL2 As(III) As(V) 21 2.4.5 Khảo sát khả hấp phụ, giải hấp phụ, tái hấp phụ VL2 đối 22 với A s(in) As(V) phương pháp động Chương Kết qủa thảo luận 23 3.1 Đặc trưng vật lý vật liệu ôxit hỗn hợp Fe-Mn (VL1) vật liệu ôxit 23 hỗn hợp Fe-Mn mang than (VL2) 3.1.1 Phổ nhiễu xạ tia X VL1 23 3.1.2 Xác định hình thái học diện tích bề mặt VL2 23 3.2 Khảo sát khả hấp phụ tĩnh VL1 As(III) 25 3.3 Khảo sát khả hấp phụ tĩnh VL2 As(III) As(V) 28 3.3.1 Khảo sát khả hấp phụ tĩnh VL2 As(III) 28 3.3.2 Khảo sát khả hấp phụ tĩnh VL2 As(V) 30 3.4 Khảo sát khả hấp phụ, giải hấp phụ, tái hấp phụ VL2 33 As(III) As(V) phương pháp hấp phụ động 3.4.1 Khảo sát khả hấp phụ, giải hấp phụ, tái hấp phụ VL2 đối 33 với As(III) phương pháp hấp phụ động 3.4.2 Khảo sát khả hấp phụ, giải hấp phụ, tái hấp phụ VL2 đối 34 với As(V) phương pháp hấp phụ động 3.4.3 Kết luận chung khả tách loại As(III) As(V) VL2 35 phương pháp hấp phụ động Kết luận 36 Tài liệu tham khảo 37 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung asen [1, 2] Asen tồn khoảng 200 loại khoáng khác nhau, chứa dạng asen arsenite, arsenate sulphua, oxit Quặng chứa nhiều asen quặng Arsenopyrit, có hàm lượng tới vài chục gam kilogram quặng Quặng sulphua, sulphate, quặng sắt, quặng sulphate ln có hàm lượng asen cao Các loại quặng cacbonate, silicát, chứa asen với hàm lượng thấp hơn, thường vài mg/kg không đáng kể Sự tồn asen tự nhiên số loại đá, khoáng vật đặc biệt quặng đa kim thơng qua q trình thuỷ địa hố sinh địa hoá, điều kiện địa chất thuỷ văn mà asen xâm nhập vào môi trường nước Ngồi 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 sau tách khỏi quặng thành chất thải chất đống ngồi trời, asen trơi vào sơng suối vào môi trường Trạng thái tồn dạng asen điều kiện oxi hoá khử pH khác cụ thể bảng Điều kiện khử Điều kiện oxi hoá pH As(III) pH As(V) 0-9 H 3A s0 0-2 H?A s0 10-12 H 2A s0 3- 3-6 13 HA s0 32- 7-11 H A s0 42 14 A s0 33- 12-14 A s0 4v H2A sơ Bàng 1: Các trạng thái bền asen điều kiện oxi hoá khử pH Trong hầu hết kim loại có xu hướng khơng tan ta vùng pH trung tính asen tan vung pH trung tính có nồng độ tương đối cao Do nước ngầm dễ bị nhiễm asen anion chứa oxi khác 1.2 Tính chất hố lý asen [2] Asen tổn vài dạng thù hình: dạng kim loại, dạng vàng, dạng xám dạng nâu Asen kim loại asen xám bền điều kiện thường đun nóng Asen phi kim chất rắn màu vàng, có mạng lưới phân tử mà mắt mạng lưới phân tử As4 Nhưng As4 không bền, nhiệt độ thường tác dụng ánh sáng chuyển nhanh sang dạng kim loại Có thể tạo As4 cách ngưng tụ nó, asen gồm phân tử As4, bắt đầu phân huỷ 1325°c phân huỷ hoàn toàn nhiệt độ 1700nc Trong tất quan trọng nhiệt độ khoảng sản phẩm quặng sunfua hợp chất asen hợp chất có tính chất thương mại asen (III) oxit Asen (III) oxit có nhiệt độ sơi khoảng 465°c, 800°c tồn thể hơi, có cơng thức phân tử As 40 hợp chất phụ trình luyện đồng số kim loại màu khác từ Asen khơng hồ tan nước, khơng khí thường bị ơxy hố chậm cịn bị đốt nóng mạnh cháy tạo thành ơxit As 20 màu trắng có mùi tỏi đặc trưng Ớ nhiệt độ cao asen có khả tác dụng với nhiều nguyên tố Trong hợp chất asen thường có số oxi hoá -3; +3 +5 Asen tự hợp chất độc 1.3 Một số hợp chất quan trọng asen[2] a) Asen hydrua hay asin AsH'Ị AsH chất khí khơng màu, độc, có mùi tỏi, có tính khử mạnh tan nước Asin tạo thành khử tất hợp chất vô asen hydro s in h As 20 + Zn + 6H 2S = AsH + ZnS0 + 3H20 Asin tương đối bền đốt nóng dễ dàng phân huỷ thành hydro asen tự AsH có tính khử mạnh, bị bốc cháy khơng khí, khử muối kim loại Cu, Ag kim loại 6A gN + AsH + 3H20 = Ag + HNO + H,AsO, AsH tác dụng với muối thuỷ ngân (II) clorua tạo phức màu vàng nâu, phản ứng sử dụng phương pháp định lượng asen: AsH + 3HgCl2 = As(HgCl)3(vàng) + 3HC1 b) Asen {III) oxit As20 Chất tạo thành đốt cháy asen khơng khí nung quặng chứa asen As(III) oxit màu trắng, thường gọi asen trắng Ớ trạng thái khí, oxit asen III tồn dạng phân tử kép As40 As(III) oxit tan nước, 15°c dung dịch bão hồ có nồng độ 1,5 %, 25°c dung dịch bão hồ có nồng độ % Khi tan nước asen (III) oxit tạo thành asen (III) hydroxit hay gọi axit asenơ, axit yếu As40 + 6H20 H 3ASO3 Trong dung dịch axit asenơ có axit metasen H A s02 axit không tách trạng thái tự do, cô cạn dung dịch thu oxit Asen(III)oxit dễ tan dung dịch kiềm tạo thành muối asenit hidroxoasenit As 40 + NaOH + H20 = 3Na[As(OH)4] + Na 3A s0 Asen (III) oxit thể tính khử tác dụng với O 3, H 20 2, FeCl3, K 2Cr20 7, HNO 3, bị ôxi hoá đến ion A s0 43' As 40 + HNO + 14 H20 = 12H3A s + NO Asen (III) oxit độc, liều ỉượng gây chết người ,lg dùng để chế thuốc trừ sâu nồng nghiệp, chế thuỷ tinh suốt chế chất màu c) Asen (V) oxit: Asen (V) oxit chất dạng khối vơ định hình giống thuỷ tinh, người ta thường gán cho cơng thức kinh nghiệm As 20 nhiệt độ 400°c phán huỷ thành oxi oxit asen có số oxi hoá thấp A S 2O — A s 40 + 2O As 20 dễ tan nước tạo thành asenic, nên để khơng khí bị chảy rữa As 20 + 3H20 = 2H 3A sơ d) Axit orthoasenơ H ị A s Oị axit yếu (pK~ 9), hợp chất không điều chế dạng tự mà tồn dung dịch nước, có cân bằng: H 3A s0 = H20 + H A s0 Cân thường chuyển dịch mạnh phía bên phải tức có xu hướng hình thành axit metaasenơ (có số phân li k = 6.10 1(>) Dưới tác dụng kiềm với As 20 ta nhận muối axit asenơ As 20 + KOH = 2K 3AsOịị+ 3H20 Các hợp chất A s(ni) có tính khử, bị oxi hoá chất oxi hoá mạnh K M n04, K I0 môi trường kiềm chúng chuyển thành hợp chất As(V) AsCV' + I2 + H20 = A sO /- + 21 + 2H+ e) Axit asenic điều kiện thường, axit asenic (H 3A s0 4) trạng thái rắn, tan tốt nưóc Axit asenic axit mạnh tương đương với axit photphoric (pK 2,24; 6,94; 11,5) Muối axit asenat giống với muối photphat tương ứng Khi nung axit asenic ta thu asen(V)oxit hay gọi anhyđritasenic dạng chất rắn màu trắng thuỷ tinh, tính chất axit hợp chất mạnh axit ascnơ Khi cho tác dụng với kiềm tạo thành ba loại muối: Na 3A s0 4, Na2H A s04, NaH 2A s0 Các hợp chất As(V) có tính oxi hố, tác dụng với chất khử mạnh KI, NaBH4, môi trường axit chúng chuyển thành hợp chất As(III) Trong tự nhiên, asen chuyển hoá từ dạng sang dạng khác số vi sinh vật, q trình chuyển hố đươc trình bày hình (CHiXiAs: trimetylasin (CH3)2A sH: [A s02(0H )2]asenat —► As(OH) -* C H jA s O (O H )2 -* axit (CH3)2A sO(OH) axit Hình 2: Sơ đổ q trình chuyển hố hợp chất asen tự nhiên 1.4 Độc tính asen [9,14] 1.4.1 Cơ chế gây độc asen Khi xâm nhập vào thể asen (III) công vào enzim có chứa nhóm (SH), liên kết cản trở chức enzim SH SH Enzhn AsO SH Enám > s— o ' SH' + OH ... dung nghiên cứu a) M ục đích: Chể tạo vật liệu hỗn hợp Fe( OH )3 - M n vật liệu hỗn hợp Fe( OH )3 - M n mang than hoạt tính Sử dụng vật liệu chế tạo loại bỏ asen nước ngầm để sản xuất nước sinh hoạt. .. TÓM TẤT 1) Tên đề tài: ? ?Nghiên cứu loại bỏ asen nước ngầm để sản xuất nước sinh hoạt vật liệu hỗn hợp Fe( OH )3 - M n 2” Mã số: QT-09-19 2) C hủ trì: ThS Nguyễn Thị Hạnh 3) Người tham gia: CN:... dung nghiên cứu: Chế tạo vật liệu hỗn hợp Fe( OH )3 - M n mang than hoạt tính Nghiên cứu đặc trưng vật liệu thu phương pháp vật lý hóa lý c) nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình hẩp phụ vật liệu