Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi và niken

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phùng Thị Châm NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẮT NANO XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM CADIMI VÀ NIKEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phùng Thị Châm NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẮT NANO XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM CADIMI VÀ NIKEN Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60.85.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS LÊ ĐỨC Hà Nội - 2012 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi niken LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành bày tỏ lịng cám ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Đức, thầy tận tình hướng dẫn, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu thực luận văn Tôi xin chân thành cám ơn thầy cô, anh chị Bộ môn Thổ nhưỡng Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để thực nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cám ơn tồn thể thầy giáo Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học tập khoa q trình hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cám ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2012 Tác giả Phùng Thị Châm Khoa Môi trường i Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi niken MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH v DANH MỤC BIỂU ĐỒ vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU Chương - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kim loại cadimi niken 1.1.1 Tổng quan chung kim loại cadimi 1.1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.1.2 Nguồn đưa cadimi vào môi trường .3 1.1.1.3 Độc học môi trường cadimi 1.1.2 Tổng quan chung kim loại niken 1.1.2.1 Giới thiệu chung kim loại niken 1.1.2.2 Nguồn đưa niken vào môi trường .9 1.1.2.3 Độc học môi trường kim loại niken 13 1.2 Tổng quan chung công nghệ nano, sắt nano, nano lưỡng kim 14 1.2.1 Giới thiệu công nghệ nano 14 1.2.1.1 Khái niệm công nghệ nano vật liệu nano .14 1.2.1.2 Ứng dụng công nghệ nano 16 1.2.1.3 Tính chất vật liệu nano .19 1.2.2 Giới thiệu sắt nano, nano lưỡng kim .20 1.2.2.1 Đặc điểm tính chất sắt nano 20 1.2.2.2 Các phương pháp chế tạo sắt nano 23 1.2.2.3 Chế tạo nano lưỡng kim 28 1.3 Tổng quan chung khu công nghiệp Phố Nối A 29 1.3.1 Giới thiệu chung khu công nghiệp Phố Nối A 29 1.3.2 Hiện trạng môi trường nước thải khu công nghiệp Phố Nối A .31 1.3.2.1 Tổng quan hệ thống xử lý nước thải công nghiệp tập trung 31 1.3.2.2 Thực trạng môi trường nước thải khu công nghiệp .32 Chương - ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .35 2.1 Đối tượng nghiên cứu 35 2.2 Nội dung nghiên cứu 35 2.3 Phương pháp nghiên cứu 35 Khoa Môi trường ii Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi niken 2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu 35 2.3.2 Phương pháp khảo sát thực tế lấy mẫu thực tế 35 2.3.3 Phương pháp thực nghiệm .35 2.3.3.1 Phương pháp chế tạo sắt nano 35 2.3.3.2 Phương pháp chế tạo nano lưỡng kim Fe – Cu 36 2.3.3.3 Phân tích đặc tính vật liệu 37 2.3.3.4 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano nano lưỡng kim xử lý nước ô nhiễm kim loại cadimi niken (mẫu nước tự tạo) .39 2.3.3.5 Nghiên cứu ứng dụng sắt nano nano lưỡng kim xử lý nước ô nhiễm kim loại cadimi niken (mẫu nước thực tế) .42 2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu .43 Chương – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44 3.1 Kết nghiên cứu chế tạo sắt nano ứng dụng xử lý nước ô nhiễm kim loại cadimi niken .44 3.1.1 Kết nghiên cứu chế tạo sắt nano .44 3.1.1.1 Chụp nhiễu xạ tia X 44 3.1.1.2 Ảnh chụp TEM sắt nano 46 3.1.1.3 Ảnh chụp SEM sắt nano .47 3.1.2 Kết xử lý kim loại cadimi niken vật liệu sắt nano 48 3.1.2.1 Kết xử lý kim loại cadimi vật liệu sắt nano 48 3.1.2.2 Kết xử lý kim loại niken vật liệu sắt nano 53 3.2 Kết nghiên cứu chế tạo nano lưỡng kim (Fe-Cu) ứng dụng xử lý nước ô nhiễm kim loại cadimi niken 57 3.2.1 Kết nghiên cứu chế tạo nano lưỡng kim (Fe-Cu) .57 3.2.1.1 Ảnh chụp nhiễu xạ tia X 57 3.2.1.2 Ảnh chụp TEM nano lưỡng kim Fe-Cu .59 3.2.2 Kết xử lý kim loại cadimi niken nano lưỡng kim 60 3.2.2.1 Kết xử lý kim loại cadimi nano lưỡng kim 60 3.2.2.2 Kết xử lý kim loại niken nano lưỡng kim 63 3.3 Đánh giá kết ứng dụng sử dụng sắt nano xử lý nước thải ô nhiễm cadimi niken 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .71 PHỤ LỤC 74 Khoa Môi trường iii Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi niken DANH MỤC BẢNG Bảng Hàm lượng số kim loại nặng sản phẩm dùng nông nghiệp (mg/kg) Bảng Hàm lượng số kim loại nặng loại nước thải Bảng Hàm lượng Cd khơng khí số khu vực giới Bảng Hàm lượng Cd số loại trồng số khu vực bị ô nhiễm Bảng Hàm lượng niken số loại đá 10 Bảng Hàm lượng (106 kg/năm) tỷ lệ phần trăm (%) số nguyên tố đưa vào đất từ nguồn khác 11 Bảng Sự làm giàu niken ô nhiễm niken lớp đất mặt 12 Bảng Hàm lượng niken số trồng 12 Bảng Các chất hợp chất xử lý Fe0 nano 18 Bảng 10 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý cadimi sắt nano 49 Bảng 11 Ảnh hưởng nồng độ cadimi ban đầu lượng sắt nano xử lý 50 Bảng 12 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý cadimi sắt nano .51 Bảng 13 Khả tái sử dụng sắt nano xử lý cadimi 52 Bảng 14 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý niken sắt nano 53 Bảng 15 Ảnh hưởng nồng độ niken ban đầu lượng sắt nano xử lý 54 Bảng 16 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý niken sắt nano .56 Bảng 17 Khả tái sử dụng sắt nano xử lý niken 57 Bảng 18 Ảnh hưởng thời gian xử lý 60 Bảng 19 Ảnh hưởng nồng độ Cd ban đầu lượng nano lưỡng kim 61 Bảng 20 Ảnh hưởng pH đến kết xử lý 62 Bảng 21 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý niken nano lưỡng kim 63 Bảng 22 Ảnh hưởng nồng độ niken ban đầu lượng nano lưỡng kim 64 Bảng 23 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý 65 Bảng 24 Kết phân tích mẫu nước thải KCN Phố Nối A 67 Bảng 25 Kết xử lý cadimi sắt nano 67 Bảng 26 Kết xử lý niken sắt nano 68 Khoa Môi trường iv Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước nhiễm cadimi niken DANH MỤC HÌNH Hình Ứng dụng sắt nano môi trường 17 Hình Mơ hình cấu tạo hạt Fe0 nano .21 Hình Hệ nhũ tương nước dầu dầu nước 24 Hình Cơ chế hoạt động phương pháp vi nhũ tương .24 Hình Vị trí quy hoạch khu cơng nghiệp Phố Nối A 30 Hình Nhiễu xạ tia X vật liệu sắt nano 45 Hình Nhiễu xạ tia X mẫu sắt nano điều chế Yuan-Pang Sun nnk 46 Hình Ảnh chụp TEM phân tử sắt nano điều chế 46 Hình Ảnh TEM phân tử sắt nano điều chế số nhà khoa học khác 47 Hình 10 Kết chụp SEM mẫu vật liệu khơng bổ xung chất phân tán .48 Hình 11 Kết chụp SEM vật liệu không bổ xung chất phân tán .48 Hình 11 Ảnh nhiễu xạ tia X nano lưỡng kim (Fe-Cu) .58 Hình 13 Ảnh chụp TEM phân tử nano lưỡng kim điều chế 59 Hình 14 Ảnh chụp TEM nano lưỡng kim Fe-Ni Zhanqiang Fang nnk 60 Khoa Môi trường v Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi niken DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý cadimi sắt nano 49 Biểu đồ Ảnh hưởng nồng độ cadimi ban đầu lượng sắt nano xử lý .50 Biểu đồ Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý cadimi sắt nano 51 Biểu đồ Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý niken sắt nano .53 Biểu đồ Ảnh hưởng nồng độ niken ban đầu lượng sắt nano xử lý .55 Biểu đồ Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý niken sắt nano 56 Biểu đồ Ảnh hưởng thời gian xử lý 61 Biểu đồ Ảnh hưởng nồng độ Cd ban đầu lượng nano lưỡng kim 62 Biểu đồ Ảnh hưởng pH đến kết xử lý .63 Biểu đồ 10 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý niken nano lưỡng kim 64 Biểu đồ 11 Ảnh hưởng nồng độ niken ban đầu lượng nano lưỡng kim 65 Biểu đồ 12 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý 66 Khoa Môi trường vi Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi niken DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AAS Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử BOD Nhu cầu oxy sinh hóa COD Nhu cầu oxy hóa học DO Lượng oxy hòa tan nước TSS Tổng chất rắn lơ lửng pH Độ chua nước QCVN Khoa Môi trường Quy chuẩn Việt Nam TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Kính hiển vi điện tử quét vii Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi niken MỞ ĐẦU Trong cơng cơng nghiệp hóa – đại hóa, nước ta đà phát triển mạnh mẽ ngành kinh tế nhằm hướng tới trở thành nước công nghiệp vào năm 2020 Theo thống kê, đến tháng 6/2012 nước có 334 khu chế xuất, khu công nghiệp phê duyệt thành lập với tổng diện tích đất tự nhiên 90.900 ha, có 232 khu cơng nghiệp vào hoạt động 102 khu công nghiệp giai đoạn đền bù giải phóng mặt xây dựng Việc phát triển khu công nghiệp nước chủ trương đắn Đảng Nhà nước ta, hiệu kinh tế xã hội mà khu công nghiệp mang lại thấy rõ Tuy nhiên bên cạnh mặt tích cực phát triển q nóng khu cơng nghiệp làm nảy sinh nhiều vấn đề xã hội lãng phí tài nguyên đất, thu hồi đất sản xuất nông nghiệp để tiến hành xây dựng khu cơng nghiệp sau để hoang phế quan trọng gây ô nhiễm mơi trường nước thải Tính đến tháng 6/2012, có khoảng 62% khu cơng nghiệp xây dựng hệ thống xử lý nước thải tập trung Tổng lượng nước thải từ khu công nghiệp ước khoảng triệu m3/ngày/đêm chiếm khoảng 35% tổng lượng nước thải nước Với đặc thù đa ngành, đa lĩnh vực nơi ngày đêm thải hàm lượng lớn chất thải vô cơ, hữu đặc biệt chất thải nguy hại có kim loại nặng chì, asen, cadimi, thủy ngân,… Mặc dù cơng trình vào hoạt động hiệu khơng cao, dẫn đến tính trạng 75% nước thải chảy ngồi với lượng nhiễm cao Tất chất ô nhiễm không thu gom, xử lý kỹ thuật tiêu chuẩn thải mơi trường gây nhiễm mơi trường nước tích lũy chúng vào đất ảnh hưởng tới sức khỏe người hệ sinh thái Trong đó, nước thải cơng nghiệp hệ dị thể phức tạp bao gồm nhiều chất vô hữu tồn nhiều trạng thái khác nhau, phải kể đến hàm lượng kim loại nặng Ở nước ta, tình hình ô nhiễm môi trường mức báo động, đứng trước thực trạng trên, cần phải tìm kiếm giải pháp công nghệ xử lý môi trường nhằm đảm bảo chất lượng an toàn cho người hệ sinh thái Việc áp dụng lựa chọn cộng nghệ phụ thuộc vào điều kiện khác vùng, quốc gia Việt Nam nước với kinh tế phát triển, đó, công Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi niken Hiệusuất (%) 6.8 6.66 6.7 6.6 6.5 6.4 6.38 6.3 6.18 6.2 6.1 6.09 5.9 5.8 10 pH Biểu đồ Ảnh hưởng pH đến kết xử lý Số liệu thu nhấn mạnh cho thấy hiệu suất xử lý nano lưỡng kim thấp Tuy nhiên, hiệu suất không cao trường hợp dùng sắt nano kết thu hoàn toàn tương đồng với pH dùng sắt nano làm vật liệu xử lý Độ pH đạt hiệu suất cao pH=10 Theo Hardiljeet K.B nnk (2010) tiến hành xử lý Cd nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất xử lý Cd nguyên nhân hiệu suất xử lý thấp yếu tố nhiệt độ, [19] Do hiệu suất xử lý nano lưỡng kim thấp, không cao kỳ vọng nên tác giả khơng tiến hành thử nghiệm với thí nghiệm (đánh giá khả tái sử dụng nano lưỡng kim) 3.2.2.2 Kết xử lý kim loại niken nano lưỡng kim a Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý thể kết quả: Bảng 21 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý niken nano lưỡng kim Thời gian xử lý Lượng nano lk cho vào (g) Nồng độ Ni ban đầu (mg/l) Lượng Ni mẫu (mg) Nồng độ Ni sau phản ứng (mg/l) Nồng độ Ni phản ứng (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) 10' 0,025 100 67,325 32,675 32,68 20' 0,025 100 68,155 31,845 31,85 30' 0,025 100 69,98 30,02 30,02 1h 0,025 100 71,36 28,64 28,64 2h 0,025 100 70,375 29,625 29,63 4h 0,025 100 70,34 29,66 29,66 8h 0,025 100 70,338 29,662 29,66 Khoa Môi trường 63 Luận văn Thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi niken Hiệu suất (%) 33 32.67 31.84 32 31 30.02 30 29.63 29.66 29.66 2h 4h 8h 28.64 29 28 27 26 10' 20' 30' 1h Thời gian Biểu đồ 10 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý niken nano lưỡng kim Qua số liệu phân tích trên, ta thấy có khác biệt so với ảnh hưởng thời gian xử lý dùng với sắt nano Hiệu suất xử lý niken không cao