Đánh giá vật liệu cát tự nhiên và biến tính để xử lý asen trong nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  HOÀNG NAM NINH ĐÁNH GIÁ VẬT LIỆU CÁT TỰ NHIÊN VÀ BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA PHÂN TÍCH Thái Ngun, 05 - 2013 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  HOÀNG NAM NINH ĐÁNH GIÁ VẬT LIỆU CÁT TỰ NHIÊN VÀ BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƢỚC Chuyên ngành: Hóa Phân tích Mã số: 60.44.0118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA PHÂN TÍCH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN RI Thái Nguyên, 05 - 2013 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Hoàng Nam Ninh Xác nhận khoa chun mơn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chủ tịch hội đồng http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Với lịng biết ơn sâu sắc tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Ri giao đề tài tận tình hướng dẫn suốt trình làm đề tài luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Hóa Học, thầy cô giáo, anh chị, bạn bè tổ mơn Hóa Phân tích – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Hóa học – Đại học Sư phạm – Đại học Thái Ngun có giúp đỡ tơi q trình làm luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân đồng nghiệp quan tâm, động viên, giúp đỡ suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2013 Hồng Nam Ninh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Mở đầu Chương 1: Tổng quan 1.1 Trạng thái tự nhiên, nguồn gốc ô nhiễm dạng tồn dung dịch asen 1.1.1 Trạng thái tự nhiên nguồn gốc ô nhiễm As 1.1.2 Tính chất hố lý asen 1.1.3 Các dạng tồn As 1.2 Độc tính dạng asen 1.2.1 Cơ chế gây độc asen 1.2.2 Độc tính asen 1.3 Sự phân tán, di chuyển chuyển hóa lẫn mơi trường dạng asen 11 1.4 Hiện trạng ô nhiễm asen giới Việt Nam 13 1.4.1 Ô nhiễm asen giới 13 1.4.2 Ô nhiễm asen Việt Nam 14 1.5 Một số phương pháp xử lý asen 16 1.5.1 Các phương pháp hoá học 16 1.5.2 Các phương pháp hoá lý 18 1.5.3 Các phương pháp xử lý asen nghiên cứu áp dụng Việt Nam 24 1.6 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ 24 1.6.1 Động học trình hấp phụ 24 1.6.2.Tốc độ trình hấp phụ 25 1.6.3.Tải trọng hấp phụ 26 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.6.4 Các phương trình trình hấp phụ 26 Chương 2: Thực nghiệm phương pháp 31 2.1 Thiết bị, dụng cụ hóa chất : 31 2.1.1.Thiết bị dụng cụ 31 2.1.2.Hóa chất 32 2.1.3 Chuẩn bị hóa chất dung dịch chuẩn 32 2.2 Phương pháp nghiên cứu 34 2.2.1.Mục đích nghiên cứu 34 2.2.2 Nội dung nghiên cứu 34 2.2.3.Phương pháp nghiên cứu 34 Chương 3: Kết thảo luận 39 3.1 Khảo sát điều kiện tối ưu 39 3.1.1.Khảo sát phổ hấp thụ thuốc thử 39 3.1.3 Khảo sát thời gian tối ưu cho việc tạo hợp chất màu 40 3.1.4.Ảnh hưởng pH đến trình khử Asen (III) thành Asin 41 3.1.5 Ảnh hưởng yếu tố cản đến tạo hợp chất màu 41 3.1.6 Ảnh hưởng nồng độ chất khử KI tới độ hấp thụ quang (A) hợp chất màu 42 3.1.7 Ảnh hưởng chất khử Zn tới độ hấp thụ quang A hợp chất màu 43 3.1.8 Ảnh hưởng thể tích thuốc thử 44 3.1.9 Ảnh hưởng thể tích mẫu dung dịch Asen (III) 46 3.1.7 Ảnh hưởng chất khử Zn tới độ hấp thụ quang A hợp chất màu 47 3.1.8 Ảnh hưởng thể tích thuốc thử 47 3.1.9 Ảnh hưởng thể tích mẫu dung dịch Asen (III) 48 3.3 Kết khảo sát khả hấp phụ cát tự nhiên 51 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.4 Kết khảo sát khả hấp phụ asen cát biến tính 54 3.4.1 Cách chế tạo hạt Hiđroxit sắt (III) 54 3.4.2 Ưu điểm phương pháp 54 3.4.3 Kết khảo sát khả hấp phụ asen cát biến tính 55 Kết luận 58 Tài liệu tham khảo 59 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANG MỤC BẢNG STT Nội dung Trang Bảng Một số dạng As đối tượng sinh học môi trường Bảng : Sự phụ thuộc mật độ quang vào thời gian 40 Bảng Ảnh hưởng nồng độ chất khử Zn tới độ hấp thụ quang 43 hợp chất màu Bảng : Ảnh hưởng thể tích thuốc thử tối độ hấp thụ quang 45 hợp chất màu Bảng Ảnh hưởng thể tích mẫu tới độ hấp thụ quang hợp 46 chất màu Bảng Nồng độ Asen số mẫu nước thuộc huyện Hải 51 Hậu – Nam Định Bảng Kết xử lý mẫu nước số hộ dân huyện Hải 56 Hậu – Nam Định cát biến tính Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH STT Nội dung Trang Hình 1: Sơ đồ q trình chuyển hố hợp chất asen tự nhiên Hình Một số hình ảnh nạn nhân nhiễm độc As 10 Hình Quá trình chuyển hóa dạng As mơi trường 12 Hình Bản đồ nhiễm asen tồn quốc 14 Hình Đường cong biểu diễn phương trình hấp phụ đẳng nhiệt langmuir Hình Đồ thị biểu diễn phụ thuộc Hình Đường hấp phụ đẳng nhiệt freundlich 28 Hình Sự phụ thuộc lgq vào lgCf 28 27 Cl vào Cl q 27 Hình Sơ đồ hệ tạo hợp chất màu asin bạc 36 đietylđithiocacbamat Hình 10: Ảnh hưởng thời gian đến độ hấp thụ quang 10 41 hợp chất màu Hình 11 Ảnh hưởng nồng độ chất khử Zn tới độ hấp thụ 11 44 quang hợp chất màu Hình 12 Ảnh hưởng thể tích thuốc thử tới độ hấp thụ 12 45 quang hợp chất màu Hình 13 Ảnh hưởng thể tích mẫu tới độ hấp thụ quang 13 46 hợp chất màu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 14 Động học trình hấp phụ As(III) hyđroxit sắt 14 15 16 48 theo thời gian Hình 15 Ảnh hưởng pH đến lượng As(III) bị hấp phụ hiđroxit Fe (III) (a) nồng độ As(III) lại (b) Hình 16 Ảnh hưởng tỷ lệ Fe/As hàm lượng As(III) lại dung dịch cân Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 49 50 Sau khảo sát xong điều kiện yếu tố ảnh hưởng tới hợp chất màu Chúng chọn điều kiện tối ưu sau : - Bước sóng tối ưu: 515 nm - Thời gian tối ưu: 25 phút - pH tối ưu: pH =1 - Thể tích thuốc thử bạc đietylđithiocacbamat tối ưu: 4ml - Nồng độ chất khử Zn tối ưu: gam - Thời gian ổn định màu: phút - Nồng độ chất khử KI 15% tối ưu: 4ml - Thể tích dung dịch Asen (III) chuẩn: 50ml 3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 3.2.1.Phƣơng pháp nghiên cứu khả hấp phụ Sắt (III) hiđoxit: + Thời gian hấp phụ: Cho vào bình nhựa (PE) 100 mL dung dịch Fe(III) có nồng độ 50 mg L-1, điều chỉnh pH hệ đến khoảng 6,5bằng NaOH Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 0,01M Thêm vào hệ mL dung dịch có nồng độ As(III) 100 mg L-1, khuấy sau khoảng thời gian: 1, 5, 10,15, 25, 30, 40, 60 phút, lọc thu dung dịch để xác định hàm lượng asen lại phương pháp nêu + pH: Cho vào bình nhựa (PE) 40 mL dung dịch 125 mg Fe(III) L-1, 10 mL dung dịch 0,5 mgAs(III) L-1 Để pH khác nhau, thể tích NaOH 0,02M từ đến 20 mL thêm vào bình nhựa Để đảm bảo cường độ ion mẫu thí nghiệm tương đương nhau, lượng dung dịch muối NaNO3 0,02M thêm vào cho thể tích hệ đạt 100 mL Sau thời gian đảm bảo hệ cân phần mẫu ly tâm , lọc dung dịch xác định hàm lượng As AAS, phần lại đo pH máy đo pH + Tỷ lệ Fe/As: Với dung dịch có hàm lượng As(III) ban đầu 0,5 mg L-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 As cịn lại dung dịch 3.2.2 Kết nghiên cứu nghiên cứu khả hấp phụ Sắt (III) hiđoxit: 3.2.2.1 Động học hấp phụ Lượng As(III) bị hấp thụ hiđroxit sắt (III) tăng lên theo thời gian Tốc độ hấp phụ tăng nhanh khoảng 15 phút (1,3-3,8 mg g-1phút-1, tính theo Fe, Hình 14), sau tốc độ hấp phụ giảm xuống 30 Nhiều nghiên cứu gần rằng, asen loại bỏ với hiệu suất cao tỷ lệ Fe/As > 20 khả loại bỏ As lý tưởng Fe/As > 50 Hình 16 Ảnh hưởng tỷ lệ Fe/As hàm lượng As(III) lại dung dịch cân Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.3 Kết khảo sát khả hấp phụ cát tự nhiên Để khảo sát khả hấp phụ asen cát tự nhiên thực lấy mẫu nước số hộ gia đình có sử dụng bể cát trước lọc sau lọc Sau đem đo nồng độ asen trước sau lọc cát tự nhiên Từ đánh giá khả hấp phụ asen cát tự nhiên Áp dụng thí nghiệm quy trình xây dựng trên, tiến hành xác định lượng asen số mẫu nước ngầm thuộc địa bàn Hải Hậu – Nam Định Kết phân tích thể bảng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bảng Nồng độ Asen số mẫu nước thuộc huyện Hải Hậu – Nam Định Nồng độ Asen Mẫu Ngày lấy mẫu (µg/L) Địa điểm lấy mẫu Trước Sau Hiệu suất lọc lọc (%) Ông Đinh Văn Hải – 18/02/2013 162,13 72,96 55,00 166,72 67,69 59,40 164,44 77,25 53,02 165,58 88,71 46,42 164,03 78,50 52,14 Xã Hải Phú – Hải Hậu Ông Định Quốc Tuấn – 18/02/2013 Xã Hải Phú – Hải Hậu Bà Nguyễn Thị Hậu – 18/02/2013 Xã Hải Phú – Hải Hậu 18/02/2013 05/03/2013 Ông Trần Quang Nam – Xã Hải Phú – Hải Hậu Ông Đinh Văn Hải – Xã Hải Phú – Hải Hậu Ông Định Quốc Tuấn – 05/03/2013 167,10 70,73 57,67 162,12 76,97 52,52 193,34 73,21 61,23 198,88 101,43 49,00 Xã Hải Phú – Hải Hậu Bà Nguyễn Thị Hậu – 05/03/2013 Xã Hải Phú – Hải Hậu Bà Hồng Thị Hịa – 05/03/2013 Xã Hải Cường – Hải Hậu 05/03/2013 Bà Đinh Thị Lý – Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Xã Hải Cường – Hải Hậu 10 05/03/2013 Ông Nguyễn Hải Hưng – Xã Hải Cường – Hải Hậu 194,08 90,00 57,75 191,34 79,92 58,23 201,81 79,63 60,54 184,44 104,96 43,09 183,64 100,87 45,07 193,35 110,17 43,02 194,08 109,17 43,75 193,34 94,77 50,98 192,98 105,51 45.07 174,52 89,42 48,76 203,32 89,42 56,02 Bà Nguyễn Thị Trúc – 11 05/03/2013 Xã Hải Cường – Hải Hậu Bà Nguyễn Thị Bình – 12 05/03/2013 Xã Hải Cường – Hải Hậu 13 05/03/2013 Ông Đinh Quang Nam – Xã Hải Cường – Hải Hậu Bà Đinh Văn Chính – 14 05/03/2013 Xã Hải Cường – Hải Hậu Ông Đinh Văn Bẩy – 15 05/03/2013 Xã Hải Cường – Hải Hậu 16 05/03/2013 Bà Nguyễn Thị Mùi – Xã Hải Cường – Hải Hậu Bà Hoàng Thị Dung – 17 05/03/2013 Xã Hải Cường – Hải Hậu Bà Đinh Thị Vân Anh– 18 05/03/2013 Xã Hải Cường – Hải Hậu 19 05/03/2013 Ông Nguyễn Tuấn Nam – Xã Hải Cường – Hải Hậu Bà Đinh Thị Lý Hòa – 20 05/03/2013 Xã Hải Cường – Hải Hậu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nhận xét: Qua khảo sát số mẫu nước hộ gia đình nhận thấy nồng độ asen mẫu nước ngầm cao vượt mức cho phép Việc người dân dùng bể cát để lọc nước phần giảm thiểu lượng asen định nước Tuy cần biện pháp nhằm giảm thiểu tối đa lượng asen nước 3.4 Kết khảo sát khả hấp phụ asen cát biến tính 3.4.1 Cách chế tạo hạt Hiđroxit sắt (III) Hạt Hiđroxit sắt (III) sản xuất từ dung dịch FeCl3 cách cho phản ứng với dung dịch NaOH Kết tủa tạo thành rửa sạch, tách nước quay ly tâm tạo hạt áp suất cao Vật liệu có khả hấp phụ cao Nồng độ Asen nước trước xử lý 160 - 205 g /l, sau xử lý đạt