Lượng nano lưỡng kim (g) Nồng độ Ni ban đầu (mg/l) Lượng Ni trong mẫu (mg) Nồng độ Ni sau phản ứng (mg/l) Nồng độ Ni đã phản ứng (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) 0,025 50 0,5 37,7 12,3 24,6 0,025 100 1 69,685 30,315 30,32 0,025 200 2 133,47 66,53 33,27 0,025 300 3 189,38 110,62 36,87 0,05 50 0,5 26,475 23,525 47,05 0,05 100 1 55,835 44,165 44,17 0,05 200 2 140,92 59,08 29,54 0,05 300 3 162,86 137,14 45,71 0,1 50 0,5 18,845 31,155 62,31 0,1 100 1 42,095 57,905 57,91 0,1 200 2 128,78 71,22 35,61 0,1 300 3 159,07 140,93 46,98
Lượng nano lưỡng kim : 0 10 20 30 40 50 60 70 50mg/l 100mg/l 200mg/l 300mg/l Nồng độ Ni (mg/l) Hiệu suất (%) 0.025g 0.05g 0.1g
Biểu đồ 11. Ảnh hưởng của nồng độ niken ban đầu và lượng nano lưỡng kim
Tiến hành lắc mẫu trong thời gian là 4h (theo thời gian tối ưu khi xử lý bằng sắt nano), tác giả thay đổi lượng nano lưỡng kim cho vào từ 0,025g; 0,05g; 0,1g. Kết quả cho thấy khi tăng lượng vật liệu xử lý thì hiệu suất tăng dần. Mức hiệu suất cao nhất đạt được 62,31% ở lượng nano lưỡng kim 0,1g với nồng độ niken 50mg/l
và thấp nhất ở lượng nano lường kim 0,025g với nồng độ niken 50mg/l. Ở lượng
nano lưỡng kim 0,1g với nồng độ niken 100mg/l hiệu suất đạt 57,91%.
Kết quả này cao hơn khi xử lý khi cadimi và cao hơn ở thí nghiệm 1 của nội dung này. Tuy nhiên, hiệu suất xử lý vẫn chưa đạt được như mong muốn, hiệu suất
còn thấp dưới <65%. So với sắt nano thì nano lưỡng kim (Fe-Cu) có hiệu suất thấp hơn rất nhiều.
c. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý
Các mẫu thí nghiệm được tiến hành lắc trong thời gian 4h. Kết quả như sau:
Bảng 23. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý
pH ban đầu pH sau phản ứng Lượng nano lưỡng kim cho vào (g) Nồng độ Ni ban đầu (mg/l) Lượng Ni trong mẫu (mg) Nồng độ Ni sau phản ứng (mg/l) Nồng độ Ni đã phản ứng (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) 4 6 0,025 100 1 64,63 35,37 35,37 6 6,5 0,025 100 1 71,745 28,255 28,26 8 7,6 0,025 100 1 74,03 25,97 25,97 10 8,4 0,025 100 1 60,865 39,135 39,14
Hiệu suất (%) 35.37 28.26 25.97 39.14 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 4 6 8 10 pH
Biểu đồ 12. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý
Độ pH sau phản ứng dần hướng về mức pH trung hịa. Ở đây với pH = 10 thì
vật liệu có khả năng xử lý cao nhất đạt 39,135%, mức thấp nhất là ở pH = 8 đạt
25,97%. Tuy nhiên sự thay đổi về hiệu suất giữa độ pH khác nhau cũng khơng lớn, có độ chênh lệch nhỏ. Do hiệu suất xử lý của nano lưỡng kim rất thấp so với sắt
nano, kết quả không cao như kỳ vọng nên tác giả khơng tiến hành thử nghiệm với thí nghiệm 4 (đánh giá khả năng tái sử dụng của nano lưỡng kim) trong sử dụng nano lưỡng kim xử lý niken.
3.3. Đánh giá kết quả ứng dụng trong sử dụng sắt nano trong xử lý nước thải ô nhiễm cadimi và niken thải ô nhiễm cadimi và niken
Sau khi thực nghiệm với mẫu nước tự tạo hàm lượng hai kim loại cadimi và niken, tác giả đã tiến hành thí nghiệm trong xử lý đối với mẫu nước thải thực tế của khu công nghiệp Phố Nối A nhằm đánh giá hiệu suất xử lý của vật liệu nano.
Dựa vào kết quả phần 3.2 tác giả đã chỉ sử dụng sắt nano vào trong thử
nghiệm, không tiến hành với nano lưỡng kim do khả năng xử lý hai kim loại này còn rất thấp, chưa đạt so với yêu cầu trong ứng dụng xử lý nước thải và bảo vệ môi trường.
Khác với mẫu nước tự tạo, mẫu nước thực tế là mẫu nước có sự đa dạng của nhiều kim loại khác nhau. Mẫu nước được đưa đi phân tích hàm lượng các kim loại
nặng bằng máy SMEWW 3125:2005 tại Viện Công nghệ Môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam với các chỉ tiêu và kết quả như sau:
Bảng 24. Kết quả phân tích mẫu nước thải KCN Phố Nối A (mẫu nước trước khi đưa và vào xử lý) (mẫu nước trước khi đưa và vào xử lý)
QCVN 40:2011/BTNMT STT Chỉ tiêu phân tích Kết quả (mg/l)
Cột A Cột B 1 Cd 0,26 0,05 0,1 2 Cr (IV) 0,14 0,05 0,1 3 Cu 2,314 2 2 4 Fe 4,44 1 5 5 Ni 0,35 0,2 0,5 6 Mn 0,552 0,5 1 7 Pb 0,43 0,1 0,5 8 Zn 0,148 3 3
a. Thử nghiệm trong xử lý cadimi
Với nồng độ Cadimi trong mẫu nước thải là 0,26mg/l, thêm 0,05g sắt nano,
thời gian xử lý là 1h. Kết quả thể hiện như sau:
Bảng 25. Kết quả xử lý cadimi bằng sắt nano
pH
Lượng nano Fe cho vào (g)
Nồng độ Cd ban đầu trong
mẫu (mg/l) Nồng độ Cd sau phản ứng (mg/l) Nồng độ Cd đã phản ứng (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) 8,5 0,05 0,26 0,04 0,22 84,62
Như vậy, hiệu suất xử lý cadimi đạt gần 85%, nồng độ Cd sau xử lý là
0,04mg/l, đạt QCVN 40:2011/BTNMT ở cả cột A và cột B. Mức hiệu suất này thấp hơn so với thử nghiệm đối với mẫu nước tự tạo (ở cùng điều kiện như nhau).
Nguyên nhân có thể do: pH nhỏ hơn pH tối ưu, lượng sắt nano trong mẫu sẽ hấp thụ những kim loại khác có thế oxi hóa khử lớn hơn, làm giảm hiệu suất khi xử lý Cd. Tuy nhiên, nồng độ Cd sau xử lý đạt QCVN cho phép nên hoàn toàn phù hợp khi
b. Thử nghiệm trong xử lý niken
Với nồng độ niken trong mẫu nước thải là 0,35mg/l, thêm 0,025g sắt nano,
thời gian xử lý là 4h. Kết quả sau xử lý như sau:
Bảng 26. Kết quả xử lý niken bằng sắt nano
pH
Lượng nano Fe cho vào (g)
Nồng độ Ni ban
đầu trong mẫu
(mg/l) Nồng độ Ni sau phản ứng (mg/l) Nồng độ Ni đã phản ứng (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) 8,5 0,025 0,35 0,076 0,274 78,29
Hiệu suất xử lý niken đạt 78,29%, nồng độ Ni trong mẫu (0,076mg/l) thấp
hơn nhiều so với QCVN 40:2011/BTNMT cột A là 0,2mg/l và cột B là 0,5mg/l. Mặc dù, hiệu suất xử lý không cao như hiệu suất xử lý của mẫu nước tự tạo, nhưng với kết quả phân tích ở trên ta có thể tin tưởng vào khả năng xử lý của sắt nano đối với niken đảm bảo với QCVN cho phép mà không gây tác động xấu tới môi trường.
Nguyên nhân việc giảm hiệu suất trong xử lý niken này có thể do nguyên nhân tương tự ở đối với cadimi. Ở đây, độ pH gần tương đồng với độ pH tối ưu của thử nghiệm đối với mẫu nước tự tạo nên nguyên nhân do pH được loại trừ. Trong
mẫu nước thải chứa các kim loại khác nhau đặc biệt là Pb, Cr, Cu, Mn,… có thể
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
(1) Chế tạo vật liệu sắt nano và nano lưỡng kim thành công.
(2) Hiệu quả xử lý cadimi và niken trong nước bằng sắt nano là rất cao. Khi dùng sắt nano và nano lưỡng kim làm vật liệu xử lý kim loại thì niken bị khử nhiều hơn cadimi. Hiệu quả khi xử lý niken cao hơn cadimi:
- Cadimi được xử lý tối ưu bằng sắt nano ở điều kiện thời gian xử lý là 1h
(hiệu suất = 96,97%), pH=10 (hiệu suất = 97,638%). Có thể xử lý lại cadimi bằng sắt nano sau 2 đến 3 lần.
- Niken được xử lý tối ưu bằng sắt nano ở điều kiện thời gian xử lý là 4h (hiệu suất = 98,173%), pH=8 (hiệu suất = 99,482%). Có thể xử lý lại niken từ 2-3 lần bằng lượng sắt nano sau khi đã xử lý lần đầu;
(3) Khi sử dụng nano lưỡng kim xử lý hai kim loại này thì hiệu suất rất thấp: - Đối với cadimi, hiệu suất cao nhất đạt ở thời gian xử lý 10 phút (hiệu suất =
7,7%), thời gian xử lý càng lâu thì hiệu suất xử lý lại càng giảm. Độ pH tối ưu là 10 (hiệu suất = 6,66%).
- Đối với niken, hiệu suất cao nhất cũng đạt ở thời gian xử lý 10 phút (hiệu
suất = 32,67%), tuy nhiên mức xử lý lại cao hơn 4 lần so với cadimi. Độ pH tối ưu là 10 (hiệu suất = 39,135%), độ chênh xử lý giữa các độ pH không đáng kể.
(4) Khi nồng độ của kim loại càng cao thì cần thêm vật liệu xử lý vào để đạt hiệu quả tốt nhất. Như vậy, cần tính tốn sao cho phù hợp tình hình thực tiễn khi xử lý kim loại nặng ngoài thực tế mà vẫn đảm bảo theo QCVN.
(5) Đối với mẫu nước thực tế, khả năng xử lý kim loại nặng cadimi và niken bởi sắt nano cao, nồng độ các kim loại nặng cadimi và niken sau xử lý đều dưới
QCVN cho phép quy định đối với nước thải công nghiệp, đảm bảo trước khi thải ra môi trường tự nhiên, bảo vệ môi trường và hệ sinh thái xung quanh khu công nghiệp Phố Nối A.
2. KIẾN NGHỊ
Trong nước thải cơng nghiệp có chứa nhiều thành phần khác nhau như các chất hữu cơ, vô cơ, các kim loại nặng khác nhau. Cần có những nghiên cứu và đánh giá sâu hơn nữa về khả năng ứng dụng sắt nano trong xử lý nước thải chứa các
thành phần nói trên khơng chỉ giới hạn trong xử lý kim loại niken và cadimi.
Trong khuôn khổ của luận văn, việc gia tăng nồng độ kim loại mới lên mức cao nhất là 300 mg/l. Tuy nhiên, trong điều kiện thực tế, hàm lượng này có thể cao hơn rất nhiều. Cần có những nghiên cứu thêm về hàm lượng vật liệu xử lý (sắt nano) cho vào và nồng độ chất ô nhiễm để đạt hiệu suất xử lý cao nhất.
Cần nghiên cứu về quá trình điều chế sắt nano lưỡng kim với các kim loại
khác không giới hạn ở lưỡng kim Fe-Cu. Nano lưỡng kim Fe-Cu không được đánh
giá là xử lý cao, cần nghiên cứu nano lưỡng kim với một số kim loại thích hợp khác cũng như các chất ơ nhiễm mà sắt nano lưỡng kim có thể xử lý triệt để, hiệu quả,
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tiếng Việt
[1] Lê Huy Bá (2008), Độc học môi trường cơ bản, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội.
[2] Lê Đức, Trần Khắc Hiệp, Nguyễn Xuân Cự, Phạm Văn Khang, Nguyễn Ngọc Minh (2004), “Một số phương pháp phân tích mơi trường”. Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội.
[3] Lê Đức và nnk (2011), Nghiên cứu chế tạo vật liệu Fe nano bằng phương pháp dùng bohiđrua (NaBH4) khử muối sắt II (FeSO4.7H2O), Tạp chí Khoa
học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27.
[4] Phạm Quang Hà (2001), Chất lượng đất, môi trường và sức khoẻ cộng đồng
Nguyên tố Cd, Tạp chí Đất Phân bón và Mơi trường, số 8, Viện TNNH.
[5] Phạm Quang Hà (2002), Nghiên cứu hàm lượng Cd và cảnh báo ô nhiễm trong
một số loại đất của Việt Nam, Tạp chí Khoa học đất số 16, NXB Nông nghiệp.
[6] Phạm Khắc Hiếu (1998), Độc tính học thú y, NXB Nông nghiệp
[7] Nguyễn Xuân Huân, Lê Đức (2011), Nghiên cứu xử lý Asen trong nước bằng
Fe0 nano, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27.
[8] 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 cây
trồng”, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
[9] La Vũ Thùy Linh (2010), “Công nghệ nano – cuộc cách mạng trong khoa học
kỹ thuật thế kỷ 21”, Khoa học và ứng dụng số 12.
[10] Nguyễn Thị Nhung, Nguyễn Thị Kim Thường (2007), Nghiên cứu tổng hợp Nano sắt bằng phương pháp hóa học, Viện Địa chất, Viện Khoa học và Công
nghệ Việt Nam.
[11] Nguyễn Thị Nhung, Nguyễn Thị Kim Thường (2008), Nghiên cứu khả năng tách loại Pb2+ trong nước bằng nano sắt kim loại, Viện Địa chất, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
[12] Trịnh Thị Thanh (2003), “Độc học môi trường và sức khỏe con người”, Nhà
xuất bản Quốc Gia, Hà Nội.
[13] Trần Thị Thúy (2011), “Chế tạo sắt nano và nghiên cứu ảnh hưởng của thời
gian, nồng độ, và pH dung dịch đến hiệu quả xử lý DDT tồn lưu trong đất
bằng sắt nano”, Khóa luận tốt nghiệp Khoa Môi trường, ĐH Khoa Học Tự
Nhiên – ĐH Quốc Gia Hà Nội.
2. Tiếng Anh
[14] Alina Kabata – Pendias (2001), Trace Elements in Soils and Plants.
[15] Emily Keane (2009), “Fate, transport, and toxicity of nanoscale Zero-Valent Iron (nZVI) used during superfund remediation”, National Network for
Environmental Management Studies Fellow Duke University.
[16] Fendler J. H. (1998), Nanoparticles and Nanostructured Films: Preparation,
Characterization and Application, Weinheim: Wiley-VCH.
[17] Fergusson E. J. (1990), The Heavy Elements: Chemistry, Environmental Impact and Health Effects.
[18] Fievet F. và nnk (1989), Solid State Ion, 32/33 198
[19] Hardiljeet K. B. và nnk (2010), Kinetics and thermodynamics of cadmium iron
removal by adsorption onto nano zerovalent iron particles, Science Direct.
[20] McLaughlin M.J. and Singh B. R. (1996), Cadmium in soil and plant, CSRO Land and water, Adelaide, Australia.
[21] Nazli Efecan và nnk (2009), Characterization of the uptake of aqueous Ni2+ ions on nanoparticles of zero-valent iron (nZVI), Science Direct.
[22] Patanjali Varanasi và nnk (2007), “Remadiation of PCB contaminated soils using iron nano-particles”, Chemosphere 66, 1031-1038.
[23] Ross Sheila (1994), Toxic metals in Soils - Plants systems, John Wiley & Son Press, New York.
[24] Vijayakumar R. và nnk (200), Sonochemical synthesis and characterization of
pure nanometer-sized Fe3O4 particles, Mater. Sci. Engineer. A 286 (2000)
[25] Ulman A. (1991), An Introduction to Ultrathin Organic Films: From Langmuir-Blodgett to Self-Assembly, Boston: Academic.
[26] Xiaomin Dou và nnk (2010), “Arsenate removal from water by zero-valent iron/activated carbon galvanic couples”, Journal of Hazardous Materials 182,
108-114.
[27] Xiao-qin Li và nnk (2006), “Zero-Valent Iron Nanoparticles for Abatement of
Environment Pollutants: Materials and Engineering Aspects”, Solid State and
Materials Sciences 31, 111-122.
[28] Yang-Hsin Shih và nnk (2011), “Reduction of haxachlorobenzene by nanoscale zero-valent iron: Kinetics, pH effect, and degradation mechanism”,
Separation and Purification Technology 76, 268-274.
[29] Yuan-Pang Sun và nnk (2006), “Characterization of zero-valent iron nanoparticles”, Advandes in Colloid and Interface Science 120, 47-56.
[30] Yu-Hoon Hwang và nnk (2011), “Mechanism study of nitrate reduction by nano zero valent iron”, Journal of Hazardous Materials 185, 1513-1521.
[31] Yunfei Xi và nnk (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.
[32] Wei-xian Zhang (2003),“Nanoscale iron particles for environmental
remediation: An interview”, Journal of Nanoparticles Research 5: 323-332.
[33] Zhanqiang Fang và nnk (2011), “Debromination of polybrominated diphenyl ethers by Ni/Fe bimetallic nanoparticles: Influencing factors, kinetics, and mechanism”, Journal of Hazardous Materials 185 (2011) 958–969.
Phụ lục 1. Hệ thống xử lý nước thải tập trung Khu công nghiệp Phố Nối A
Lưới lọc rác Ngăn tách cát
Bể lắng cuối Bể khử trùng
Phụ lục 2. Một số hình ảnh của quá trình thực nghiệm
Quá trình cho NaBH4 Máy khuấy từ
Vật liệu lắng xuống nhờ thanh nam châm Vật liệu lắng ở đáy cốc