than hoạt tính đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệmtại trƣờng Đại học An Giang (Nguyễn Thị Thúy Hằng, 2010):
Vật liệu bao gồm:
Nước ngầm bị nhiễm As.
Bồn chứa, van, chân đỡ, cột lọc. Cát đá, than hoạt tính.
Hình 2.7: Sơ đồ công nghệ.
Kết quả thu đƣợc
Sau 8 phút mô hình xử lý hết 10 lít nước được chứa trong bình chứa nước thô ban đầu (tức với công suất là 1,25 lít/ phút). Với hiệu suất trung bình là 80,29%.
Nhận xét:
Ƣu điểm:
Cấu tạo đơn giản. Vật liệu dễ tìm.
Chi phí thấp.
Có thể ứng dụng với quy mô hộ gia đình tại các khu vực có nước ngầm bị nhiễm As.
Hạn chế:
Nguồn nước đầu vào có hàm lượng As khá thấp, thấp hơn QCVN 09:2008/BTNMT, nên chất lượng nước sau khi xử lý có hàm lượng As nằm trong giới hạn cho phép của QCVN 09:2008/BTNMT. Do đó, chúng ta không thể biết chính xác hiệu suất xử lý, cũng như kết luận được mô hình có hiệu quả xử lý như thế nào nếu như áp dụng mô hình ở những khu vực bị nhiễm As nặng.
Đề xuất cải tiến mô hình xử lý:
Bơm nước lên một bồn chứa, ở đây ta sẽ bổ sung thêm một số tác nhân khác (như phèn sắt, sục khí,…) để giúp cho phản ứng giữa ion Fe2+ và As xảy ra triệt để hơn. Sau đó để lắng rồi mới tiếp tục cho qua bể lọc.
Bể lọc:
Tăng diện tích của bể lọc và tăng chiều dày của lớp vật liệu lọc.
Hoặc sử dụng những loại vật liệu lọc mới, thay vì chỉ sử dụng cát vàng nhuyễn và sỏi nhỏ.
2.6 Phƣơng pháp keo tụ – kết tủa kết hợp với phƣơng pháp hấp phụ bằng sục khí và vật liệu zeolite
2.6.1 Phƣơng pháp sục khí
Do tính chất và khả năng hấp phụ tạo thành các hợp chất ít tan của As (V) cao hơn As (III) nên trong hầu hết các phương pháp xử lý thông thường, người ta phải chuyển As từ dạng hóa trị +3 sang As hóa trị +5, để dễ dàng xử lý cũng như loại bỏ As ra khỏi nước.
Vì Fe là thành phần có mặt thường xuyên trong nước ngầm. Tùy theo cấu tạo địa tầng của mỗi khu vực, thậm chí có nơi hàm lượng Fe trong nước cao gấp 5 – 6 lần QCVN. Chính vì thế chúng ta có thể tận dụng lượng Fe có sẵn trong nước ngầm để tách và loại bỏ As. Quá trình sục khí sẽ làm oxi hóa Fe và As tạo thành hợp chất kết tủa FeAsO4,
Fe(OH)3. Các ion Fe (II) sẽ kết hợp với oxi tạo ra Fe (III) kết tủa. Sau đó Fe (III) kết hợp với As (III) tạo thành As (V) và As (V) lại phản ứng với Fe (III) tạo thành FeAsO4 theo sơ đồ phản ứng sau:
Fe (II) + oxi không khí => Fe (III) Fe (III) + As (III) => Fe (II) + As (V) Fe (II) + oxi không khí => Fe (III) Fe (III) + As (V) => FeAsO4
2.6.2 Vật liệu zeolite
Hiện nay có hơn 150 loại zeolite tổng hợp và khoảng 48 loại có sẵn trong tự nhiên đã được biết đến. Zeolite là tên gọi của một nhóm khoáng chất alumosilicat cấu trúc tinh thể. Với thành phần hỗn hợp chủ yếu gồm nhôm oxit và silic oxit sắp xếp theo một trật tự nào đó với một tỷ lệ nhất định, được biểu diễn dưới dạng chung như sau:
Rn2+O.Al2O3.nSiO2.mH2O Trong đó:
Rn2+: là các cation hóa trị 1 và 2 như: K+, Na+, Ag+ và Ca2+, Ba2+, Sn2+.
n: Tỉ số mol SiO2/Al2O3.
m: Số phân tử nước trong đơn vị cơ sở (khoảng từ 1 ÷ 12). Các tinh thể zeolite có mạng không gian xốp. Trong mạng tinh thể alumosilicat chứa các tứ diện SiO4 và (AlO4)-1 (các hóa trị âm ở đây được bù trừ bởi các cation Rn2+) nối với nhau thông qua nguyên tử oxi. Các tứ diện đó (thường bao gồm 24 khối) sắp xếp theo qui luật trong không gian tạo thành khối bát diện bậc 2, được gọi là các sodalit. Tùy thuộc vào cách ghép khác nhau của các sodalit mà thu được các loại zeolite khác nhau như zeolite A, zeolite X, zeolite Y, faujasit, mordenit,… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các tính chất cơ bản của zeolite
Tính chất trao đổi cation: đây là một trong những tính chất quan trọng của zeolite.
Do cấu trúc không gian ba chiều bền vững nên khi trao đổi ion, khung zeolite cũng không bị thay đổi.
Các cation bù trừ điện tích âm của tứ diện (AlO4)-1 trong mạng tinh thể zeolite rất linh động nên dễ dàng trao đổi với các cation khác.
Tính hấp phụ:
Zeolite có khả năng hấp phụ cao nhờ: cấu trúc xốp và rất rộng với các khoảng trống rộng đều. Đối với từng loại zeolite, cấu trúc xốp thường được đặc trưng bởi hai yếu tố chính: hốc zeolite và độ lớn của cửa sổ vào hốc đó. Độ lớn của cửa sổ thường ngang với kích thước của các phân tử. Ở điều kiện nhiệt độ bình thường các phân tử nước lấp đầy các hốc đó. Khi đun chúng được tách ra. Nếu loại nước ra khỏi zeolite thì những hốc đó lại được lấp đầy bằng các hợp chất khác, nhờ đó mà chúng được sử dụng trong quá trình làm khô và tách loại các hợp chất. Nhưng không phải tất cả các hợp chất đều có thể hấp phụ vào các hốc đó. Điều đó được giải thích là những hốc hấp phụ được nối với nhau bằng các cửa sổ nhất định. Chỉ những phân tử có đường kính tới hạn (đường kính theo trục phân tử nhỏ nhất) nhỏ hơn đường kính của sửa sổ vào thì mới có thể thấm qua cửa sổ này. Kích thước của các cửa sổ có thể thay đổi ở một mức độ nào đó thông qua trao đổi ion.
Zeolite có khả năng hấp phụ các hợp chất phân cực, các chất có nối đôi trong phân cực và hơi nước. Do diện tích bề mặt lớn nên zeolite cũng có thể khử arsen trong nước bằng hấp phụ trên bề mặt oxit nhôm (Al2O3).
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ: nhiệt độ và áp suất dehydrat hoá; nhiệt độ và áp suất khảo sát; tỉ lệ Si/Al. Ngoài ra zeolite còn có tính chất xúc tác và tính chất chọn lọc hình dạng.
Ứng dụng
Zeolite có công dụng nổi bật là cải tạo đất trong nông nghiệp, giúp làm tăng sản lượng và chất lượng vật nuôi.
Đặc biệt, trong lọc hóa dầu, zeolite có tác dụng làm chất hấp phụ và chất xúc tác chuyển hóa hóa học. Zeolite được sử dụng làm chất xúc tác trong các phản ứng hoá học liên quan đến chất hữu cơ,
phản ứng axit – bazơ, phản ứng cảm ứng kim loại. Trong công nghệ lọc dầu zeolite được dùng để tách các n – parafin ra khỏi hỗn hợp iso – parafin và chất thơm do hiệu ứng rây phân tử.
Trong bảo vệ môi trường, zeolite còn được sử dụng rộng rãi để bảo vệ môi trường khỏi các chất thải công nghiệp và giao thông, giúp xử lý nước và không khí ô nhiễm. Với tính năng đặc thù là “rây phân tử” nên zeolite được sử dụng rất có hiệu quả trong quá trình tách các hỗn hợp hữu cơ, vô cơ, loại bỏ tạp chất trong pha khí (hơi), pha lỏng. Zeolite được dùng để tách các chất hữu cơ độc hại từ nước và khử các ion kim loại nặng.
Mặc dù hiện nay trên thế giới zeolite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng tại Việt Nam việc nghiên cứu cũng như sử dụng zeolite, nhất là dùng để xử lý kim loại nặng, đặc biệt là As còn rất khiêm tốn. Chính vì vậy những số liệu hay kết luận về hiệu quả xử lý As của zeolite khá hạn chế.
Chƣơng 3: PHƢƠNG TIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu
Nước ngầm bị nhiễm As.
Mô hình xử lý As trong nước ngầm bằng phương pháp keo tụ – kết tủa kết hợp với phương pháp hấp phụ.
3.2 Thời gian nghiên cứu
Bắt đầu từ 01/12/2010 đến tháng 29/04/2011.
Bảng 3.1: Lịch trình làm việc.
S T T
Nội dung công việc Thời gian Tháng 12/2010 Tháng 1/2011 Tháng 2/2011 Tháng 3/2011 Tháng 4/2011 1 Viết đề cương khóa luận. 2 Thu thập dữ liệu và lắp ráp mô hình. 3 Chạy mô hình và phân tích mẫu. 4 Tổng hợp tài liệu, số liệu và viết bài hoàn chỉnh.
5 Bảo vệ khóa
3.3 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung:
Xây dựng mô hình xử lý As trong nước ngầm, đồng thời có thể làm giảm hàm lượng Fe bằng phương pháp keo tụ – kết tủa kết hợp với phương pháp hấp phụ.
Mục tiêu cụ thể:
Đánh giá hiệu quả việc kết hợp phương pháp keo tụ – kết tủa và phương pháp hấp phụ để xử lý As trong nước ngầm.
3.4 Nội dung nghiên cứu
Thu thập tài liệu, số liệu liên quan đến hiện trạng nước ngầm nhiễm As của tỉnh An Giang, các mô hình xử lý As đã và đang áp dụng trên địa bàn tỉnh từ các nguồn Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Tài nguyên Môi trường, Sở Tài nguyên – Môi trường tỉnh An Giang, thư viện trường đại học An Giang, Internet,… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tổng hợp và xử lý các dữ liệu, số liệu. Xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của mô hình như pH, sắt tổng,…
Nghiên cứu và đưa ra nhận định về các mô hình xử lý As đã tham khảo và những đề xuất cải tiến.
Đưa ra mô hình xử lý cải tiến dựa trên nền tảng những kiến thức và kinh nghiệm đã đúc kết được từ các mô hình đã được tham khảo.
Lắp đặt và vận hành thử nghiệm mô hình xử lý As cải tiến trong phòng thí nghiệm.
Tiến hành lấy bốn mẫu nước nhiễm As ở các huyện An Phú (hai mẫu), Phú Tân (một mẫu), Tịnh Biên (một mẫu); đồng thời phải ổn định mẫu ngay khi lấy.
Phân tích hàm lượng As và Fe trong mẫu đầu vào (bốn mẫu trên). Lựa chọn ra mẫu có hàm lượng As cao nhất (từ bốn mẫu đã được phân tích ở trên) để chạy mô hình xử lý As, có xem xét đến hàm lượng Fe có mặt trong nước ngầm.
Phân tích hàm lượng As,Fe đầu ra sau khi chạy mô hình xử lý. Đánh giá hiệu quả xử lý thông qua các số liệu phân tích.
So sánh về hiệu quả xử lý As của mô hình mới với mô hình cũ và kết luận chung về mô hình mới.
Rút ra kết luận về hiệu quả của mô hình đã cải tiến được cũng như các mặt còn hạn chế.
Viết báo cáo khóa luận.
3.5 Phƣơng tiện và vật liệu nghiên cứu
Nước ngầm bị nhiễm As được lấy từ giếng nước của gia đình ông Hiến Văn Hiếu, ấp Phú Vinh, thị trấn Chợ Vàm, huyện Phú Tân (mẫu nước được chọn sau khi so sánh kết quả phân tích bốn mẫu đầu vào, với kết quả phân tích ở chương 4).
Bồn chứa, cột lọc, van, chân đỡ, vật liệu lọc (zeolite, cát). Các thiết bị máy móc phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm. Các thiết bị lấy mẫu và vận chuyển mẫu.
3.6 Phƣơng pháp nghiên cứu
3.6.1 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết
Tham khảo và thu thập số liệu.
Tổng hợp và xử lý các dữ liệu, số liệu.
Tính toán sơ bộ mô hình xử lý As trong nước ngầm.
3.6.2 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
a. Phƣơng pháp thu mẫu nƣớc (theo TCVN 5993 – 1995 và TCVN 6000 – 1995).
Lấy mẫu:
Cho máy bơm hoạt động khoảng 3 – 5 phút để hút hết lượng nước còn lưu lại trong hệ thống đường ống rồi mới tiến hành lấy mẫu. Tráng chai (sử dụng chai nhựa PE), thu mẫu nước tại hiện trường (mẫu được lấy đầy chai). Sau đó chúng ta cho thêm 3 ml HCl đậm đặc/ 1 lít nước ngầm nhằm làm ổn định lượng As, đậy nắp lại, bảo quản lạnh và đem về phòng thí nghiệm để phân tích.
Bảo quản mẫu:
Axit hóa mẫu ngay khi lấy mẫu xong: cho 3 ml HCl đậm đặc vào 1 lít nước ngầm nhằm làm ổn định lượng As.
Đậy kín bình chứa mẫu và tránh cho mẫu tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng. Nếu không, chất lượng mẫu có thể thay đổi nhanh chóng do trao đổi không khí, các phản ứng hoá học.
Bảo quản mẫu ở nhiệt độ 50C.
Ngoài ra khi thu mẫu cần phải ghi rõ những thông tin sau nhằm giúp ích cho việc nhận dạng mẫu và giải trình kết quả thu được: ngày, giờ lấy mẫu; điều kiện tự nhiên, thời tiết khi lấy mẫu; vị trí lấy mẫu; tên người lấy mẫu.
b. Cách tiến hành thí nghiệm
Chuẩn bị vật liệu
Sỏi đỡ: rửa thật sạch bằng nước. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cát: rửa sạch bằng nước, rồi cho vào ngâm trong dung dịch HCl 10% trước khi sử dụng để loại bỏ một vài loại chất khoáng dễ tan bám trên bề mặt của cát. Sau đó rửa lại thật sạch bằng nước thêm lần nữa.
Zeolite: trộn zeolite với một số chất phụ gia, sau đó sấy ở 1500
C và nung ở 6000C. Zeolite thành phẩm sẽ được ngâm trong dung dịch HCl 10% nhằm loại bỏ các tạp chất trước khi đưa vào sử dụng. Sau đó rửa thật sạch lại bằng nước.
Xây dựng mô hình xử lý As trong nước ngầm trong phòng thí nghiệm
Mô tả sơ bộ mô hình thí nghiệm được xây dựng:
Kích thước của bể chứa 1 bằng kích thước của bể chứa 2 có:
Đường kính đáy trên = 300 mm. Đường kính đáy dưới = 240 mm. Chiều cao của bể là 320 mm.
Cột lọc có đường kính = 200 mm và chiều cao của cột lọc là 1000 mm.
Hình 3.1: Mô hình xử lý As.
Thuyết minh quy trình:
Cho nước ngầm vào bể chứa 1, sau đó cho sục khí từ 15 đến 30 phút, để quá trình oxi hóa xảy ra và tạo thành các hợp chất kết tủa. Sau đó, nước sẽ đi qua một lưới lọc nhằm lược lại phần lớn cặn và kết tủa vừa tạo thành, hạn chế tình trạng cặn đóng làm nghẹt cột lọc. Tiếp theo nước thô sẽ chảy vào cột lọc và đi qua các lớp vật liệu lọc, trước khi chảy vào bể chứa 2 dùng để trữ nước và phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt hằng ngày.
c. Cách bố trí thí nghiệm
Nghiệm thức 1:
Bề dày của lớp vật liệt lọc là 50 cm, bao gồm: 10 cm sỏi đỡ, 20 cm zeolite, 10 cm sỏi đỡ.
Thời gian sục khí: 30 phút.
Nghiệm thức 2:
Bề dày của lớp vật liệt lọc là 60 cm, bao gồm: 10 cm sỏi đỡ, 20 cm zeolite, 10 cm cát vàng, 10 cm sỏi đỡ.
Thời gian sục khí: 15 phút.
d. Cách thực hiện
Nghiệm thức 1: Sục khí 30 phút kết hợp với lọc qua lớp
vật liệu lọc dày 50 cm, bao gồm: 10 cm sỏi đỡ, 20 cm zeolite, 10 cm sỏi đỡ.
Nước ngầm được cho vào bình chứa đầu vào. Ở đây ta sử dụng một máy sục khí để sục khoảng 30 phút. Quá trình này làm chuyển đổi các ion Fe2+ và As3+ thành Fe3+, As5+ và hợp chất kết tủa FeAsO4 và Fe(OH)3.
Trước khi đi vào cột lọc, nước sẽ đi qua một lưới lọc (với đường kính khoảng 0,3 mm) nhằm lược bỏ phần lớn cặn và kết tủa vừa tạo thành, hạn chế tình trạng cặn đóng làm nghẹt cột lọc. Tiếp theo nước thô sẽ đi qua lớp vật liệu lọc. Lớp vật liệu lọc này vừa có chức năng giữ lại phần FeAsO4 và Fe(OH)3 kết tủa còn sót lại, vừa có chức năng hấp phụ và giữ lại phần As chưa kịp kết tủa. Giữa các lớp vật liệu có đặt một tấm chắn bằng nhựa, có tác dụng cố định các lớp vật liệu, tránh làm xáo trộn các loại vật liệu lại với nhau và làm thay đổi chiều dày của các lớp vật liệu. Cuối cùng nước sạch được đưa vào bể chứa 2 để trữ nước và phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt hằng ngày. Thí nghiệm được tiến hành 3 lần.
Nghiệm thức 2: Sục khí 15 phút kết hợp với lọc qua lớp
vật liệu lọc dày 60 cm, bao gồm: 10 cm sỏi đỡ, 20 cm zeolite, 10 cm cát vàng, 10 cm sỏi đỡ.
Nước ngầm được cho vào bình chứa đầu vào. Tại đây ta dùng một máy sục khí để sục trong vòng 15 phút. Quá trình này làm chuyển đổi các ion Fe2+ và As3+ thành Fe3+, As5+, tạo ra hợp chất kết tủa FeAsO4 và Fe(OH)3.
Trước khi đi vào cột lọc, nước sẽ đi qua một lưới lọc (với đường kính khoảng 0,3 mm) nhằm lược bỏ phần lớn cặn và kết tủa vừa tạo thành, hạn chế tình trạng cặn đóng làm nghẹt cột lọc. Tiếp theo nước thô sẽ đi qua các lớp vật liệu lọc, đầu tiên là lớp cát, tiếp đến là lớp zeolite. Lớp vật liệu lọc này vừa có chức năng giữ lại phần FeAsO4 và Fe(OH)3 kết tủa còn sót lại, vừa có chức năng hấp phụ và giữ lại phần As chưa kịp kết tủa. Giữa các lớp vật liệu có đặt một tấm chắn bằng