Bảng 1.2: Sơ bộ đỏnh giỏ cỏc cụng nghệ đó sử dụng trong xử lý nước nhiễm asen [1], [4], [6], [10].
STT Cụng nghệ Đỏnh giỏ Ghi chỳ
1 Keo tụ với muối nhụm.
Đó được nghiờn cứu và thử nghiệm, cần cú hệ thống để oxi húa As (III) lờn As (V) được sử dụng ở quy mụ nhà mỏy cần cú hệ thống quản lý, giỏm sỏt quỏ trỡnh hoạt động.
Triển khai tại cỏc nhà mỏy nước, cỏc xưởng sản suất; giỏ thành tương đối rẻ. 2 Keo tụ với muối sắt.
Đó được nghiờn cứu và thử nghiệm, cần cú hệ thống để oxi húa As (III) lờn As (V) được sử dụng ở quy mụ nhà mỏy cần cú hệ thống quản lý, giỏm sỏt quỏ trỡnh hoạt động, hiệu quả xử lý khụng cao, khụng triệt để.
Triển khai tại cỏc nhà mỏy nước, cỏc xưởng sản suất; giỏ thành tương đối rẻ. 3 Kết tủa với sữa vụi.
Đó được nghiờn cứu và thử nghiệm, được sử dụng ở quy mụ nhà mỏy cần cú hệ thống quản lý, giỏm sỏt quỏ trỡnh hoạt động, khú điều chỉnh pH, hiệu quả xử lý khụng cao và khụng triệt để.
Triển khai tại cỏc nhà mỏy nước, cỏc xưởng sản suất; giỏ thành tương đối rẻ.
4 Trao đổi ion.
Đó nghiờn cứu, chế tạo và trở thành thương phẩm, dễ sử dụng và hiệu quả xử lý cao. Tuy nhiờn cụng hệ đũi hỏi nguồn nước đầu vào tương đối sạch và giỏ thành rất cao.
Triển khai tại cỏc nhà mỏy nước, cỏc xưởng, hộ gia đỡnh; giỏ thành cao.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
tớnh. thớch hợp ở quy mụ nhà mỏy. Tuy
nhiờn hiệu quả xử lý khụng cao và khụng triệt để, đũi hỏi nguồn nước cần xử lý trước và đặc biệt hiệu quả xử lý As (III) cực thấp. nhà mỏy nước, cỏc xưởng; giỏ thành cao. 6 Phương phỏp màng. Hiệu quả xử lý cực tốt, đó trở thành thương phẩm. Tuy nhiờn nước đầu vào yờu cầu khỏ sạch.
Triển khai tại cỏc xưởng, bệnh viện, hộ gia đỡnh; giỏ thành rất cao. 7 Oxi húa As trờn nền quặng hoặc quặng hoạt húa hoặc hạt cỏt lọc (Green sand).
Đó và đang được nghiờn cứu và ỏp dụng trong và ngoài nước, hiệu quả xử lý khỏ cao, thời gian hoạt động dài. Xử lý chưa triệt để, hoạt tớnh chưa cao.
Triển khai tại cỏc nhà mỏy nước, cỏc xưởng sản xuất; vật liệu khỏ phổ biến, cú nhiều loại với giỏ thành khỏc nhau từ trung bỡnh đến đắt; là một hướng mở cho cỏc sản phẩm biến tớnh cựng loại. 9 Cụng nghệ thực vật.
Đó và đang được nghiờn cứu ở quy mụ phũng thớ nghiệm, hiệu quả khỏ cao, tận dụng cỏc vật liệu cú nguồn gốc thực võt và được hoạt húa. Tuy nhiờn chưa cú những đỏnh giỏ quy mụ và bế tắc trong vấn đề triển khai lớn.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Từ cỏc cụng nghệ liệt kờ ở trờn đõy ngoài cụng nghệ màng và cụng nghệ trao đổi ion là cụng nghệ cú khả năng tỏch loại khỏ triệt để asen lờn đến >90% nhưng giỏ thành lại rất cao và khụng phự hợp với cỏc nguồn nước giầu Fe, Mn như ở Việt Nam; cỏc cụng nghệ cũn lại thỡ hiệu quả xử lý khụng cao nờn khụng an toàn trong quỏ trỡnh sử dụng vỡ vậy vấn đề đặt ra là cần phải nghiờn cứu biến tớnh những vật liệu tạo ra những loại vật liệu mới vừa cú hiệu quả xử lý cao, triệt để lại phự hợp với nguồn nước ở Việt Nam.
Trong thời gian qua cộng đồng khoa học đó khụng ngừng cải tiến cỏc cụng nghệ và vật liệu sẵn cú, tỡm tũi và thiết kế chế tạo cỏc vật liệu mới cú những tớnh năng hấp phụ asen cao hơn, độ tin cậy của cụng nghệ ổn định và cú giỏ thành phự hợp hơn. Đặc biệt sự phỏt triển nhanh chúng của cụng nghệ nano đó tạo ra sự thay đổi mang tớnh đột phỏ trong mọi lĩnh vực cuộc sống trong đú cú lĩnh vực xử lý mụi trường.
1.3. Lựa chọn phƣơng phỏp loại bỏ asen
Trong nhiều giai đoạn của cỏc quy trỡnh cụng nghệ xử lý nước, ta cú thể thấy khụng thể thiếu được vai trũ của chất hấp phụ, bởi vỡ, muốn xử lý triệt để cỏc chất ụ nhiễm trong nước thỡ việc dựng cỏc chất hấp phụ thường cho hiệu quả cao; đồng thời cú nhiều kiểu loại chất hấp phụ cho phộp tỏch loại cỏc chất tan gõy ụ nhiễm ở hai dạng: cỏc chất vụ cơ và cỏc chất hữu cơ (hay là cỏc chất phõn cực và khụng phõn cực) [9], [11], [13], [18].
Điều này cho thấy tớnh ưu việt của phương phỏp hấp phụ và vai trũ của cỏc chất hấp phụ là rất quan trọng, rất cần thiết trong cỏc quỏ trỡnh làm sạch nước, xử lý nước.
Trong những năm gần đõy, cú một số cụng bố về cụng nghệ chế tạo vật liệu hấp phụ và ứng dụng cỏc loại vật liệu này để tỏch asen trong nước sinh hoạt. Đú là hấp phụ asen bằng một số vật liệu tự nhiờn được biến tớnh [6], [7], [8], [9], [11], [28], bằng phương phỏp oxi húa kết tủa [14], bằng vật liệu oxit hỗn hợp [28], [29], [37] và bằng vật liệu Fe3O4 [7], [13].
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Một số vật liệu được sử dụng để xử lý Asen trong nước được đưa ra ở bảng 1.3.
Bảng 1.3: Đỏnh giỏ sơ bộ khả năng xử lý của cỏc loại vật liệu đang được nghiờn cứu và sử dụng ở Việt Nam.
STT Vật Liệu Ci (mg/l) Cf (mg/l) Qmax (mg/g) Ghi chỳ 1 Đỏ ong 40,000 13,360 1,713 Trần hồng Cụn (ĐHKHTN, ĐHQGHN), (bột mịn với kớch thước 0,01 – 0,05mm)
2 MnO2 40,000 13,955 1,683 Thương phẩm, (bột mịn với (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
kớch thước 0,01 – 0,05mm) 3 Al2O3- Gama 40,000 0,099 2,376 Phũng húa lý bề mặt -Viện húa học, (bột mịn với kớch thước 0,01 – 0,05mm)
4 Bentonit 40,000 17,960 1,102 Thương phẩm, (bột mịn với
kớch thước 0,01 – 0,05mm)
5 Điatomit 40,000 33,000 0,350 Thương phẩm, (bột mịn với
kớch thước 0,01 – 0,05mm) 6 Limonit A 40,000 0,452 2,358 Trần Hồng Cụn (ĐHKHTN, ĐHQGHN), (bột mịn với kớch thước 0,01 – 0,05mm) 7 Limonit B 40,000 0,369 2,362 8 Limonit C 40,000 0,062 2,377 9 Hạt composit 40,000 0,097 2,376 Phũng húa lý bề mặt -Viện húa học (bột mịn với kớch thước 0,01 – 0,05mm). Trong đú: Ci: Nồng độ đầu vào (mg/l).
Cf: Nồng độ cũn lại (mg/l).
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phương phỏp dựng vật liệu hấp phụ được sử dụng rộng rói trong cụng nghệ xử lý cỏc kim loại nặng Mn+
và một số cỏc kim loại độc hại cú trong nước sinh hoạt. Nhiều vật liệu hấp phụ đó được nghiờn cứu và sử dụng trong thực tế, đặc biệt là cỏc loại vật liệu kớch thước nanomet. Cú một số cụng trỡnh đó sử dụng một số cỏc vật liệu quặng sắt, quặng mangan để hấp phụ asen ra khỏi nguồn nước ụ nhiễm nhưng do diện tớch bề mặt của cỏc loại quặng trờn là nhỏ nờn hiệu suất xử lý thấp.
Tuy nhiờn cú rất ớt cụng trỡnh đề cập đến việc sử dụng cỏc nguyờn tố đất hiếm trong lĩnh vực hấp phụ Asen. Do vậy chỳng tụi tiến hành nghiờn cứu chế tạo vật liệu oxit lantan kớch thước nanomet để xử lý asen. Vật liệu này cú khả năng hấp phụ asen cao, cú thể sử dụng nhiều lần sau khi được tỏi sinh, dễ sử dụng, giỏ thành hợp lý. Cú thể kết hợp với cỏt, sỏi , than và cỏc vật liệu khỏc để tỏch loại asen, sắt, mangan, amoni,… ra khỏi nguồn nước ụ nhiễm. Việc nghiờn cứu chế tạo và ứng dụng cỏc oxit kim loại, hỗn hợp oxit kim loại cú kớch thước nanomet trong đú cú vật liệu oxit đất hiếm được nhiều quốc gia quan tõm do những đặc tớnh ưu việt của chỳng. Vật liệu oxit nano La2O3 được nghiờn cứu ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ asen. Do vậy, việc chế tạo vật liệu oxit La2O3 kớch thước nanomet ứng dụng hấp phụ asen cú ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Dựa trờn cơ sở phõn tớch tài liệu về cụng nghệ xử lý asen nhằm đẩy mạnh hướng cụng nghệ chế tạo vật liệu kớch thước nanomet và ứng dụng cỏc loại sản phẩm đầy tiềm năng này vào cuộc sống, cũng như sử dụng cú hiệu quả tài nguyờn sẵn cú ở trong nước, đề tài “ Nghiờn cứu chế tạo vật liệu oxit nano
La2O3 để hấp phụ Asen ” đó được thực hiện với cỏc nội dung chớnh sau:
- Tổng hợp vật liệu oxit La2O3 kớch thước nanomet:
+ Xỏc định cỏc điều kiện tối ưu để tổng hợp vật liệu : nhiệt độ nung, pH tạo gel, thời gian nung, nhiệt độ tạo gel, tỷ lệ kim loại /PVA ( PVA : poli vinyl ancol).
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ Xỏc định cỏc điều kiện tổng hợp oxit nano La2O3 trờn cỏt thạch anh - Đỏnh giỏ một số đặc trưng của vật liệu tổng hợp ( kớch thước, thành phần pha, diện tớch bề mặt…).
- Đỏnh giỏ khả năng hấp phụ tĩnh đối với asen trờn vật liệu chế tạo ( dung lượng hấp phụ cực đại và ảnh hưởng của một số yếu tố như : nồng độ asen, nhiệt độ, nồng độ của một số kim loại ).
1.4. Cụng nghệ nano 1.4.1. Vật liệu nano 1.4.1. Vật liệu nano
1.4.1.1. Giới thiệu về vật liệu nano
Vật liệu nano là một khỏi niệm tương đối rộng, nú cú thể là tập hợp cỏc nguyờn tử kim loại hay phi kim, oxit hay cỏc muối... cú kớch thước trong khoảng 1-100 nanomet. Đú cũng cú thể là cỏc vật liệu xốp với đường kớnh mao quản dưới 100 nanomet như zeolit, cacboxylat kim loại ... Như vậy vật liệu nano cú thể ở dạng siờu phõn tỏn hoặc hệ rắn với độ xốp cao [14], [16].
Điểm khỏc biệt giữa vật liệu nano và vật liệu thụng thường là vật liệu nano cú kớch thước vụ cựng nhỏ ( chỉ lớn hơn kớch thước nguyờn tử 1-2 bậc ), nờn hầu hết cỏc nguyờn tử tự do thể hiện toàn bộ tớnh chất của mỡnh khi tương tỏc với mụi trường xung quanh. Trong khi vật liệu thụng thường do kớch thước lớn nờn chỉ một số nguyờn tử nằm trờn bề mặt tham gia tương tỏc với mụi trường, cũn phần lớn cỏc nguyờn tử nằm sõu bờn trong thể tớch của vật liệu do đú bị chắn nờn khụng tham gia tương tỏc. Đặc điểm này làm cho vật liệu nano cú những tớnh chất khỏc thường mà cỏc vật liệu thụng thường khỏc khụng cú được như:
- Cú diện tớch bề mặt lớn nờn cú khả năng làm xỳc tỏc cho nhiều quỏ trỡnh húa học.
- Cú thể thay đổi tớnh chất của vật liệu bằng cỏch thay đổi cấu hỡnh mà khụng cần thay đổi thành phần húa học của vật liệu.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Do khoảng cỏch giữa cỏc phần tử là rất nhỏ, nờn tốc độ tương tỏc và truyền tin giữa cỏc cấu trỳc nano nhanh hơn rất nhiều so với cỏc cấu trỳc khỏc trong vật liệu thụng thường.
1.4.1.2. Một số ứng dụng của vật liệu nano
Vật liệu nano ngay từ khi ra đời đó hứa hẹn cú thể làm thay đổi đời sống của con người. Thật vậy, ngày nay vật liệu nano đó được ứng dụng rộng rói trong hầu hết cỏc lĩnh vực của đời sống xó hội như [14], [16]:
Trong lĩnh vực điện, điện tử và thụng tin: vật liệu nano đó tạo ra cỏc linh kiện hoàn toàn mới, rẻ tiền hơn mà tớnh năng lại lớn hơn nhiều lần so với cỏc linh kiện cũ như transto, cỏc vi mạch trong mỏy tớnh, cỏc chấn lượng tử ...VD: với cỏc chấn lượng tử kớch thước mỗi chiều 1nm thỡ một linh kiện cỡ 1cm3
sẽ lưu trữ được một lượng thụng tin bằng tất cả cỏc thư viện trờn thế giới gộp lại.
Trong lĩnh vực sinh học và y học: vật liệu nano đó tạo ra cỏc thiết bị cực nhỏ đưa vào cơ thể để diệt một số loại vi rỳt và tế bào ung thư, tạo ra cỏc loại thuốc mới cú tớnh năng đặc biệt, tạo ra cỏc mụ hỡnh mụ phỏng cỏc quỏ trỡnh thực tế xảy ra trong cơ thể người ... (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong vấn đề bảo vệ mụi trường: vật liệu nano được ứng dụng trong việc làm xỳc tỏc cho quỏ trỡnh xử lý khớ thải, làm vật liệu hấp phụ cỏc ion kim loại cú hại và NH4
+
trong nước thải và nước sinh hoạt...
1.4.2. Một số phƣơng phỏp tổng hợp oxit nano
1.4.2.1. Phương phỏp gốm truyền thống
Bản chất của phương phỏp là thực hiện phản ứng giữa cỏc pha rắn ở nhiệt độ cao, sản phẩm thu được thường dưới dạng bột và cú cấp hạt cỡ milimet. Từ sản phẩm đú mới tiến hành tạo hỡnh và thực hiện quỏ trỡnh kết khối thành vật liệu cụ thể. Đõy là phương phỏp đó được phỏt triển lõu đời nhất nhưng hiện nay vẫn cũn được ứng dụng rộng rói [15], [19]. Cỏc cụng đoạn theo phương phỏp này như sau:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chuẩn bị phối liệu nghiền, trộn ộp viờn nung sản phẩm. Ưu điểm của phương phỏp truyền thống: Dựng ớt hoỏ chất, hoỏ chất khụng đắt tiền, cỏc thao tỏc dễ tự động hoỏ nờn dễ dàng đưa vào dõy chuyền sản xuất với lượng lớn.
Nhược điểm: Đũi hỏi nhiều thiết bị phức tạp, tớnh đồng nhất của sản phẩm khụng cao, kớch thước hạt lớn (cỡ milimet) nờn khi ộp tạo thành sản phẩm thường cú độ rỗng lớn, phản ứng trong pha rắn diễn ra chậm.
1.4.2.2. Phương phỏp đồng tạo phức
Nguyờn tắc của phương phỏp này là cho cỏc muối kim loại tạo phức cựng nhau với phối tử trong dung dịch. Sau đú tiến hành phõn huỷ nhiệt phức chất cú thành phần hợp thức mong muốn. Phương phỏp này đạt được sự phõn bố lý tưởng cỏc cấu tử trong hệ phản ứng vỡ rằng trong mạng lưới tinh thể của phức rắn đó cú sự phõn bố hoàn toàn cú trật tự của cỏc ion.
Ưu điểm của phương phỏp đồng tạo phức: Trong hỗn hợp ban đầu đưa vào nung (hỗn hợp cỏc phức chất) đó bảo đảm tỷ lệ hợp thức của cỏc cấu tử đỳng như trong vật liệu mong muốn.
Nhược điểm: Tỡm cỏc phức chất đa nhõn khụng dễ dàng và cụng việc tổng hợp phức chất tương đối phức tạp đũi hỏi nhiều phối tử đắt tiền. Do đú với cỏc vật liệu đũi hỏi phải bảo đảm chớnh xỏc tỷ lệ hợp thức. Vớ dụ, để tổng hợp ferit niken chỳng ta cú thể bắt đầu từ phức chất cú cụng thức Ni3- Fe6(CH3COO)17O3OH.12C5H5N. Điều lý thỳ là phức này cú thể tinh chế thành dạng nguyờn chất bằng cỏch kết tinh lại trong pyridin.
1.4.2.3. Phương phỏp đồng kết tủa
Đõy là một trong những phương phỏp đang được sử dụng rộng rói để tổng hợp vật liệu. Phương phỏp này cho phộp khuếch tỏn cỏc chất tham gia phản ứng khỏ tốt, tăng đỏng kể bề mặt tiếp xỳc của cỏc chất phản ứng do đú cú thể điều chế được vật liệu mong muốn ở điều kiện nhiệt độ nung thấp.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Một điều quan trọng là thành phần của vật liệu ảnh hưởng đến nhiều tớnh chất, do đú tiến hành phản ứng đồng kết tủa, trong điều kiện nghiờm ngặt để kết tủa cú thành phần mong muốn. Phương phỏp đồng kết tủa cú ưu điểm sau:
- Cho sản phẩm tinh khiết.
- Tớnh đồng nhất của sản phẩm cao.
- Thay đổi cỏc tớnh chất của vật liệu thụng qua việc điều chỉnh cỏc yếu tố ảnh hưởng như: pH, nhiệt độ, nồng độ, tốc độ của sự thuỷ phõn, sự kết tinh ảnh hưởng hỡnh thỏi học, độ lớn và tớnh chất của cỏc hạt sản phẩm cuối cựng.
1.4.2.4. Phương phỏp sol - gel
Mặc dự đó được nghiờn cứu vào những năm 30 của thế kỉ trước. Nhưng gần đõy, cựng với sự ra đời và phỏt triển của kĩ thuật nano, phương phỏp sol- gel lại được quan tõm rất nhiều vỡ nú rất thành cụng trong tổng hợp vật liệu cấp hạt nano.
Trong quỏ trỡnh sol-gel, giai đoạn đầu tiờn là sự thuỷ phõn và đụng tụ tiền chất để hỡnh thành sol, dạng đồng nhất của cỏc hạt oxớt siờu nhỏ trong chất