Nồng độ As ban đầu Co (µg/L) Nồng độ As cân bằng Ce (µg/L) Hiệu suất hấp phụ (%) Dung lƣợng hấp phụ qe (µg/g) 50 1,0435 97,91 2,45 100 1,7865 98,21 4,91 150 1,9870 98,68 7,40 200 2,4012 98,80 9,88 250 17,8975 92,84 11,61 300 25,7953 91,40 13,71 500 43,6754 89,86 22,47
Từ phương trình (*) và số liệu trong Bảng 9 có thể mơ tả được đường đẳng nhiệt hấp phụ As của vật liệu MZ như trên Hình 23 và dạng tuyến tính phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của As trên vật liệu biến tính MZ trên Hình 24.
Hình 23. Đường đẳng nhiệt hấp phụ As trên vật liệu MZ
Hình 24. Dạng tuyến tính phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của As trên vật liệu biến tính
Từ các kết quả thu được trên Hình 24, cho thấy sự phụ thuộc của Ce/qe vào Ce và đưa ra phương trình Langmuir dạng đường thẳng là y = 0,043x + 0,364 với độ tin cậy R2 = 0,887, qmax = 23,26 (µg/g), hệ số b = 0,1181. Kết quả khảo sát này cho
thấy vật liệu hấp phụ MZ có khả năng hấp phụ As và có khả năng ứng dụng xử lý As trong thực tế.
Dựa vào số liệu trong Bảng 9 và phương trình (2), có thể biểu diễn sự phụ bậc nhất của lgqe vào lgKF theo đồ thị Hình 25.
Hình 25. Dạng tuyến tính phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của As trên vật liệu MZ
Từ kết quả thu được như trên Hình 25 biểu diễn phương trình đường thẳng của phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich: Ce KF
n
qe 1lg lg
lg , có thể đưa ra phương trình Freundlich dạng đường thẳng là y = 0,413x + 0,614 với độ tin cậy R2 = 0,779, n = 2,4213, KF = 4,1115. Với các kết quả này phương trình Freundlich khơng phản ánh chính xác được số liệu thực nghiệm. Trong khoảng trong khoảng nồng độ ban đầu C0 từ 0–200(µg/L) phương trình Freundlich phản ánh khá tốt số liệu thực nghiệm với phương trình y = 1,666x + 0,340, độ tin cậy R² = 0,968, n = 0,6 và KF = 1,7654.
Như vậy ở dải nồng độ khảo sát từ 50 – 500 µg/L, mơ hình Langmuir là phù hợp hơn Freundlich cho sự hấp phụ As trong dung dịch bằng vật liệu MZ. Các kết quả tính tốn chỉ là tương đối trong quá trình hấp phụ.
3.3. Thử nghiệm khả năng xử lý As trong nƣớc ngầm của vật liệu điều chế
Tại hai xã Đơng La và An Khánh, huyện Hồi Đức, Hà Nội, hầu hết các hộ gia đình đều sử dụng giếng khoan và khơng có xét nghiệm nguồn nước trước khi sử dụng. Địa điểm khoan giếng phụ thuộc vào điều kiện và địa thế cùng các cơng trình sử dụng khác của gia đình, do vậy khi khoan giếng họ khơng chú ý tới khoảng cách tối thiểu để đảm bảo vệ sinh cho nguồn nước.
Nhân dân ở đây đều có thói quen dùng nước mưa bổ sung cho ăn uống và các nhu cầu dùng nước khác của gia đình. Khi khơng có nước mưa do ít mưa ho ặc bể chứa nhỏ thì họ sử dụng hoàn toàn nguồn nước giếng khoan hoặc nguồn nước khác. Hầu hết các giếng khoan đều có hệ thống lọc đơn giản (cát, sỏi,...) và được xây dựng ngay sau khi có giếng khoan.
Kết quả phân tích nồng độ As có trong mẫu nước ngầm tại hai xã trên được đưa ra trong Bảng 10.
Bảng 10. Nồng độ As trong nước ngầm tại một số hộ dân thuộc 2 xã Đông La và An Khánh, Hồi Đức, Hà Nội
Kí hiệu mẫu Vị trí lấy mẫu Nồng độ As (µg/L)
ĐL1 Nhà ơng Phùng Đình Ngâm, xóm 2, thơn
Đơng Lao, Đơng La, Hồi Đức, Hà Nội 143,8
ĐL2 Nhà ơng Nguyễn Văn Đáng, xóm 2, thơn
Đơng Lao, Đơng La, Hồi Đức, Hà Nội 153,4
ĐL3 Nhà ơng Trịnh Văn Hải (trưởng thơn) xóm 2,
thơn Đơng Lao, Đơng La, Hồi Đức, Hà Nội 140,1
ĐL4 Nhà Mẫu giáo, xóm 2, thơn Đơng Lao, Đơng
La, Hồi Đức, Hà Nội 156,0
ĐL5 Nhà ơng Tạ Duy Thanh, xóm 1, thơn Đơng
AK1 Nhà ơng Lê Văn Thuận, xóm Đình, thơn n
Lũng, An Khánh, Hoài Đức, Hà Nội 115,7
AK2 Nhà ơng Nguyễn Chí Quang, xóm Đình, thơn
n Lũng, An Khánh, Hoài Đức, Hà Nội 103,7
AK3
Nhà ơng Nguyễn Quang Tơn, xóm Đình, thơn n Lũng, An Khánh, Hồi Đức, Hà
Nội
98,9
AK4 Nhà ơng Nguyễn Nho Phú, xóm Đình, thơn
n Lũng, An Khánh, Hoài Đức, Hà Nội 83,7
AK5 Nhà ơng Hồng Văn Nhân, xóm Đình, thơn
n Lũng, An Khánh, Hoài Đức, Hà Nội 77,5
QCVN
09:2008/BTNMT - ≤ 50
QCVN
02:2009/BYT - ≤ 10
Từ các kết quả tại Bảng 10 cho thấy, mức độ ô nhiễm As trong nước ngầm được các hộ dân khai thác phục vụ cho mục đích sinh hoạt đều cao hơn so với quy chuẩn cho phép (QCVN 02:2009/BYT và QCVN 09:2008/BTNMT). Với xã Đông La, mức độ ô nhiễm As cao hơn QCVN 09:2008/BTNMT từ 2,76 đến 3,12 lần, với xã An Khánh từ 1,15 đến 2,3 lần. Với tình trạng ơ nhiễm As trong nước ngầm của hai xã thực sự đáng báo động, nước ngầm của các hộ dân khai thác không thể phục vụ cho mục đích ăn uống được.
Để thử nghiệm khả năng xử lý As trong nước ngầm của vật liệu MZ, tiến hành thí nghiệm như đã trình bày trong mục 2.2.5 với mẫu ĐL1. Vị trí lấy mẫu có toạ độ địa lý là 20°58'13" Bắc và 105°43'11" Nam, sơ đồ vị trí lấy mẫu nước ngầm ĐL1 thể hiện trên Hình 26.
Hình 26. Sơ đồ vị trí lấy mẫu nước ngầm ĐL1
Kết quả phân tích nồng độ As trong mẫu nước ngầm tại điểm ĐL1 khi xử lý bằng vật liệu MZ được thể hiện trong Bảng 11 và Hình 27.
Bảng 11. Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất hấp phụ As trong nước ngầm của vật liệu biến tính
Thời gian (phút) Ce (µg/L) Hiệu suất (%)
0 143,8 0 30 10,35 92,80 60 5,34 96,29 90 4,58 96,81 120 1,24 99,14 240 1,12 99,22 300 0 100
Hình 27. Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ cân bằng sau hấp phụ As trong nước ngầm của vật liệu biến tính
Từ kết quả thu được trên Hình 27 cho thấy sau khoảng 1h, hiệu suất xử lý đạt 96,29%, tương ứng với nồng độ As trong dung dịch cịn 5,34 µg/L. Như vậy, nước ngầm sau xử lý đạt quy chuẩn chất lượng quốc gia về chất lượng nước ngầm (QCVN 09:2008/BTNMT).
3.4. Đề xuất mơ hình thiết bị lọc sử dụng vật liệu MZ quy mơ hộ gia đình
Theo kết quả khảo sát như trên với mẫu nước ngầm lấy tại điểm ĐL1 thì thời gian tối thiểu để hàm lượng As trong nước đạt quy chuẩn cho phép là 60 phút. Nếu thiết kế cột lọc dạng ống nhựa PVC thông dụng với đường kính 110mm, cao khoảng 1,4m thì thể tích nước trong cột khoảng 5 lít, có thể cung cấp tới 120 lít/ngày nước sạch, đủ để đáp ứng nhu cầu của một hộ gia đình. Mơ hình đề xuất cho thiết bị lọc sử dụng vật liệu MZ xử lý As trong nước ngầm được thể hiện trên Hình 28 [13].
Giả thiết khối lượng lớp vật liệu MZ trong cột là 1,5 kg. Dung lượng hấp phụ của vật liệu MZ theo khảo sát là 23,26 µg/g, tương đương với 23,26 g/kg. Như vậy với nguồn nước ngầm có mức độ ơ nhiễm As trung bình là 150µg/L, tương đương với 0,15g/m3 thì khối lượng nước xử lý được sẽ là:
6 , 232 26 , 23 5 , 1 V (m3)
Thời gian để thay lớp vật liệu: 1939 120 , 0 26 , 232 t (ngày) ≈ 5,3 (năm)
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
Kết luận
1. Đã chế tạo được vật liệu zeolit từ tro bay (Z) với hàm lượng 37,77%, có tên gọi Sodium Aluminum Silicate Hydroxide Hydrate Unamed zeolite; công thức tổng quát là Na8(AlSiO4)6(OH)2.xH2O;
2. Theo kết quả ảnh trên máy kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy vật liệu biến tính đioxít mangan (MnO2) MZ có diện tích bề mặt tăng hơn so với vật liệu chưa biến tính; trong khoảng pH từ 2 đến 11, MnO2 trong zeolit biến tính có độ bền cao.
3. Vật liệu MZ có khả năng xử lý As trong nước và hiệu suất hấp phụ As cao hơn rõ rệt so với vật liệu tro bay và zeolit ban đầu (sau 30 phút, hiệu suất hấp phụ của vật liệu MZ đạt 94,32% và lượng As còn lại trong dung dịch chỉ là 11,35 µg/L). Tốc độ hấp phụ As của vật liệu biến tính nhanh nhất ở 5 phút đầu, sau đó giảm dần ở các thời gian tiếp theo và đạt trạng thái cân bằng sau 0,5 giờ. Khả năng hấp phụ As trên vật liệu biến tính điều chế được ít bị phụ thuộc vào pH dung dịch và nhận thấy pH đạt tối ưu là 3. Vì vậy, việc ứng dụng vật liệu này để xử lý As trong nước ngầm có tính khả thi cao.
4. Đã khảo sát khả năng hấp phụ As của vật liệu MZ theo mơ hình Langmuir và Freundlich. Dung lượng hấp phụ cực đại (qmax) của vật liệu zeolit biến tính MnO2 đạt 23,26 µg As/g vật liệu;
5. Bước đầu thử nghiệm khả năng xử lý As trong nước ngầm thực tế có nồng độ 143,8µg/L bằng vật liệu biến tính chế tạo được và đạt được hiệu quả xử lý khá cao (đạt 96,29%).
Khuyến nghị
1. Cần nghiên cứu, khảo sát khả năng mang đioxít mangan trên zeolit, khả năng trao đổi của đioxít mangan trên zeolit và các điều kiện khác ảnh hưởng đến quá trình chế tạo vật liệu;
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các ion cạnh tranh với As có trong dung dịch đối với khả năng hấp phụ As bằng vật liệu đã nghiên cứu;
3. Nghiên cứu khả năng giải hấp của vật liệu và khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu biến tính chế tạo được;
4. Có thể kết hợp vật liệu biến tính chế tạo được với các loại vật liệu lọc tự nhiên như sỏi cát, cao lanh, đá ong... để có thể tăng hiệu quả xử lý As trong nước ngầm thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Đỗ Văn Ái, Mai Trọng Nhuận, Nguyễn Khắc Vinh (2005), Một số đặc điểm phân bố asen trong tự nhiên và vấn đề ô nhiễm asen trong môi tường ở Việt Nam, Tuyển tập hội thảo quốc tế ―Ô nhiễm asen: hiện trạng tác động đến
sức khỏe con nguời và giải pháp phòng ngừa‖, Hà Nội.
2. Lê Huy Bá (2008), Độc chất môi trường, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật,
Hà Nội.
3. Bộ Y tế (2002), Quyết định số 1329/2002/BYT/QĐ và 46/2007/QĐ.
4. Lê Văn Cát (1996), Trao đổi ion, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 5. Đặng Kim Chi (2001), Hóa học mơi trường, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ
thuật, Hà Nội.
6. Phạm Lê Hà (1996), Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng tính chất của zeolit Fe- ZSM5, Luận văn thạc sỹ ngành Hóa học, Đại học Quy Nhơn.
7. Lưu Đức Hải, Đỗ Văn Ái, Võ Công Nghiệp, Trần Mạnh Liễu (2005), Chiến lược quản lý và giảm thiểu tác động ô nhiễm asen tới con người, Tuyển tập
hội thảo quốc tế ―Ô nhiễm asen: hiện trạng tác động đến sức khỏe con người và giải pháp phòng ngừa‖, Hà Nội.
8. Nguyễn Thị Huệ (2011), Hiện trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam, Tuyển tập hội thảo ―Công nghệ xử lý đồng thời asen và sắt trong nước bằng phương pháp sinh học‖, Hà Nội.
9. Nguyễn Mạnh Khải, Ngô Đức Minh, Nguyễn Công Vinh, Rupert Lloyd Hough, Ingrid Obom (2010), ―Nghiên cứu chỉ số liều lượng rủi ro của asen (As) từ gạo tại làng nghề tái chế nhôm tại Đồng bằng sông Hồng, Việt Nam‖, VNU Journal of Science, Natural Sciences and Technology, (26), 773-778.
10. Phạm Văn Lâm (2011), Loại bỏ asen trong nước ăn uống bằng vật liệu nanocomposite NC-MF và NC-F20 tự chế tạo, Tuyển tập hội thảo ―Công
nghệ xử lý đồng thời asen và sắt trong nước bằng phương pháp lọc sinh học‖, Hà Nội.
11. Hoàng Nhâm (2004), Hóa học các nguyên tố, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia
Hà Nội, Hà Nội.
12. Nguyễn Hữu Phú (1997), Ứng dụng zeolit trong hóa dầu, Tạp chí khoa học T35, (36), 8-12.
13. Trần Hùng Thuận (2011), Nghiên cứu chế tạo vật liệu mang điôxit mangan (MnO2) để xử lý asen trong nước ngầm, Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học
công nghệ đề tài, Viện ứng dụng công nghệ, Hà Nội.
14. Trần Văn Quy, Trần Văn Sơn, Nguyễn Xuân Huân, Vũ Minh Thắng (2012), ―Thử nghiệm điều chế vật liệu biến tính mangan điơxít từ tro bay để xử lý asen trong nước‖, VNU Journal of Science, Natural Sciences and Technology, (28), 181-186.
Tiếng Anh
15. Adriana Medina, Procoro Gamero, Jose Manuel Almanza, Alfredo Vargas, Ascencion Montoya, Gregorio Vargas, Maria Izquierdo (2010), "Fly ash from a Mexican mineral coal. II. Source of zeolite and its effectiveness in arsenic (V) adsorption", Journal of Hazardous Materials, 181, pp.91-104. 16. Colin S.Cundy, Paul A.Cox (2005), ―The hydrothemal systhesis of zeolites:
Precurors intermediates and reaction mechanism‖, Microporous and Mesoporous Materials, 82, pp.1-78;
17. Cullen, W. R; Reimer, K. J. (1989), ―Arsenic speciation in the environment‖,
18. Dinesh Mohan, Charles U. Pittman Jr (2007), ―Arsenic removal from water/wastewater using adsorbents—A critical review‖, Journal of Hazardous Materials, 142 (2007),pp.1–53.
19. Hamzah, Fansuri, Deborah Pritchard, Dong-ke Zhang (2008), ―Manufacture of
low-grade zeolites from fly ash for fertiliser applications‖, Cooperative
research centre for coal in sustainable development, 91, Australia.
20. Huq, S. M. I; Naidu (2005), ―Arsenic in groundwater and contamination of the food chain: Bangladesh scenorio‖, In: Bundschuh, Bhattacharya and Chandrashkharam (eds), Natural Arsenic in Ground Water: Occurrence, Remediation and Management. Taylor and Francis Group London, pp.95-
102.
21. Lenny H. E. Winkela, Pham Thi Kim Trang, Vi Mai Lan, Caroline Stengel, Manouchehr Amini, Nguyen Thi Ha, Pham Hung Viet, and Michael Berg (2010), ―Arsenic pollution of groundwater in Vietnam exacerbated by deep aquifer exploitation for more than a century‖, PNAS, 108 (4), pp.1246-1251. 22. Lucy M. Camacho, Ramona R. Parra, Shuguang Deng (2011), "Arsenic removal
from groundwater by MnO2-modiffed natural clinoptilolite zeolite: Effects of pH and initial feed concentration", Journal of Hazardous Materials, 189, pp.286-293.
23. Mai Trong Nhuan, Dao Manh Lien (1997), The potential pollution of the sea water and sediments in Nga Son – Hai Phong shallow offshore area,
Proceedings of Geo-environment and Geo-techics, Tokyo, pp.63-70.
24. Naidu, R. ; Bhattacharya, P. (2006), ―Managenment and remendiation of
arsenic from contamination water (chaper 18)”, In: Naidu, R. ; Smith, E. ; Owens, G. ; Bhattacharya, P. ; Nadebaum, P. (eds) Managiny Arsenic in the environment: from soil to Human health. CSIRO Publishing, Melbourne,
25. J. O. Nriagu; P. Bhattacharya; A. B. Mukherjee; J. Bundschuh; R. Zevenhoven and R. H. Locppert (2007), ―Asen in soil and groundwater: an overview‖,
Trace Metals and other Contaminants in the Enviroment, 9, pp.3-60.
26. Pokroviski, G. Gout, R. Schott, T. et at (1996), ―Thermody nanic properties and stoichiomtry of As(III) hydroxide complexes at hydrothermal conditions‖,
Geochim. Cosmochim. Acta 60 (5), pp.737-749.
27. Pratap Chutia, Shigeru Kato, Toshinori Kojima, Shigeo Satokawa (2009), "Adsorption of As(V) on surfactant-modified natural zeolites", Journal of Hazardous Materials, 162, pp.204-211;
28. Qin Li, XiaoTian Xu, Hao Cui, Jianfeng Pang, ZhongBo Wei, Zengqing Sun, Jianping Zhai (2012), ―Comparison of two adsorbents for the removal of pentavalent arsenic from aqueous solutions‖, Journal of Environmental Management, 98, pp.98-106;
29. Ramsharan Singh, Prabir K. Dutta, ―A case study of zeolite synthesis‖,
Handbook of zeolite science and technology, The Ohio State University,
Columbus, Ohio, U.S.A.
30. Siddhesh Shevade, Robert G. Ford (2004), ―Use of synthetic zeolites for arsenate removal from pollutant water‖, Water Research, 38, pp.3197–3204; 31. Tamaki, S. ; Flankenbergen, W. T (1992), ―Environmental biochemistry of
arsenic‖, Rev. Environ. Contan. Toxicol, 124, pp.79-110.
32. Tanaker (1988), ―Distribution of arsenic in the natural environment with an emphasis on rocks and soils‖, Organometallic Chemistry (2), pp.197-200.
33. X. Querol, N. Moreno, JC. Umana, A. Alastuey, E. Hernandez, A. Lopez-Soler, F. Flana (2002), ―Systhesis of zeolites from coal fly ash: an overview‖,
International Journal of Coal Geology, 50, pp.413-423.
Tài liệu internet 35. http: //www.who.Int/water_sanitation_health/dwq/arsenicun1.pdf. 36. http: //www.scribd.com/doc/39473039/zeolit. 37. http://www.dgmv.gov.vn/Default.aspx?tabid=151&ItemID=1129. 38. http://izasc-mirror.la.asu.edu/cgi-bin/collection1.py 39. http://wikis.lib.ncsu.edu/index.php/Zeolites 40. http://arsenic.tamu.edu/about/course/mod2/notes/pg3.htm 41. licogi166.vn/Download.aspx/1/08_2010_1504.pdf 42. http://jes.ecsdl.org/content/112/4/367.abstract
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC 1. MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN LUẬN
VĂN
Mẫu tro bay Mẫu zeolit điều chế từ tro bay
Mẫu zeolit biến tính MnO2 Thí nghiệm điều chế zeolit