MỞ ĐẦU Nước ngầm là nguồn cung cấp nước sinh hoạt chủ yếu ở nhiều quốc gia và vùng dân cư trên thế giới. Theo Tổng cục môi trường, Bộ Tài nguyên và Môi trường thì ở nước ta, nước ngầm chiếm khoảng 35% đến 40% tổng số lượng nước sinh hoạt của người dân. Ngoài ra, nó còn là nguồn nước quan trọng của ngành nông nghiệp và công nghiệp. Ngày nay, tình trạng ô nhiễm và suy thoái nước ngầm đang phổ biến ở các khu vực đô thị và các thành phố lớn trên thế giới, ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng môi trường sống của con người.
Ô nhiễm nước ngầm bởi thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hóa học tại các vùng nông nghiệp thâm canh, một lượng đáng kể thuốc và phân không được cây trồng tiếp nhận. Chúng sẽ lan truyền và tích lũy trong đất, nước và các sản phẩm nông nghiệp dưới dạng dư lượng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật. Photphat là chất dinh dưỡng thường có mặt trong các nguồn nước tự nhiên, hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người đã làm gia tăng nồng độ các ion này trong nước ngầm. Mặc dù không độc hại đối với người, song khi có mặt trong nước ở nồng độ tương đối lớn, cùng với nitơ, photphat sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng.
Ban đầu là sự phát triển bùng nổ của tảo, một lượng lớn bùn lắng được tạo thành do xác của tảo chết. Dần dần, hồ sẽ trở thành vùng đầm lầy và cuối cùng là vùng đất khô, cuộc sống của động vật thủy sinh trong hồ bị ngừng trệ. Trong thời gian gần đây, một số công trình nghiên cứu với những phương pháp khác nhau đã được thực hiện nhằm đưa ra các quy trình tách loại photphat ra khỏi nguồn nước bị ô nhiễm như phương pháp kết tủa, phương pháp sinh học, phương pháp hấp phụ và trao đổi ion,… Trong đó, phương pháp sử dụng vật liệu hấp phụ được đánh giá cao về tính hiệu quả, đơn giản, chi phí thấp cũng như quy trình xử lý thân thiện với môi trường. Tiếp tục hướng nghiên cứu trên, trong bản luận văn này chúng tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài: “ Khảo sát khả năng hấp phụ của ion photphat trong nƣớc ngầm trên laterit biến tính bằng nguyên tố đất hiếm” Đặng Thị Thúy Hạt 1 K25 – Cao học Hóa Môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.
Vấn đề ô nhiễm nƣớc ở Việt Nam. Ô nhiễm nước là sự thay đổi thành phần, tính chất của nước, có hại cho hoạt động sống bình thường của sinh vật và con người. Sự ô nhiễm đất nước, không khí có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, khi một thành phần bị ô nhiễm sẽ ảnh hưởng đến các thành phần khác. Ô nhiễm là vấn đề nan giải và rộng khắp, nó có tác động trực tiếp hay gián tiếp tới con người.
Kiểm soát và hạn chế sự ô nhiễm nước là một vấn đề cấp bách và thiết thực. Vấn đề này có liên quan đến các yếu tố chính trị, kinh tế, xã hội, khoa học và công nghệ, nó không còn là vấn đề của một quốc gia mà đó là vấn đề của toàn nhân loại. Việc đẩy nhanh quá trình công nghiệp hóa đã gây nên một áp lực nặng nề đối với nguồn tài nguyên nước. Môi trường nước ở nhiều đô thị, làng nghề đang ngày càng bị ô nhiễm bởi chính các nguồn thải.
Lượng nước thải hàng ngày quá lớn không được xử lý để đạt tiêu chuẩn cho phép, thậm chí được đổ trực tiếp ra kênh rạch thoát nước là những nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước. Tại các thành phố lớn, hàng trăm các cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm các nguồn nước do không có các công trình hay thiết bị xử lý triệt để. Mức độ ô nhiễm ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, các nhà máy là rất lớn. Ở Phú Thọ, nước thải công nghiệp được thải ra từ các nhà máy sản xuất bột giặt, sản xuất phân bón, sản xuất giấy với lưu thải hàng ngàn m3/ngày gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường khu vực [9].
Tình trạng ô nhiễm nước ở nông thôn và các khu vực sản xuất nông nghiệp cũng đang trở thành vấn đề đáng quan tâm. Với khoảng 70% dân số sinh sống ở nông thôn là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải sinh hoạt con người và gia súc không được xử lý thấm xuống đất, bị rửa trôi và đi vào nguồn nước ngầm làm cho tình trạng ô nhiễm về vi sinh ngày càng cao. Bên cạnh đó việc lạm dụng thuốc trừ sâu, trừ cỏ, thuốc chống nấm mốc…trong sản xuất, nuôi trồng đã khiến nguồn nước ở sông hồ, kênh mương bị nhiễm bẩn gây ảnh hưởng không nhỏ đến môi sinh và sức khỏe sinh sản của người dân. Đặng Thị Thúy Hạt 2 K25 – Cao học Hóa Môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học 1.
Một số tính chất của photphat và sự tồn tại của chúng trong môi trƣờng 1. Tính chất của photphat Photphat là muối của axit photphoric: một muối trung hòa và hai muối axit. H3PO4 có các cân bằng [4]: H3PO4 = H+ + H2PO4- k1 = 7,5. 10-13 Tính chất vật lý: các muối đihiđrophotphat đều tan trong nước, các muối hiđrophotphat và photphat trung hòa chỉ có muối K, Na, NH4+ dễ tan còn của các kim loại khác không tan hoặc ít tan trong nước.
Tính chất hóa học: muối photphat tham gia các phản ứng thủy phân, các phản ứng trung hòa,. Trong môi trường đất: photphat tồn tại trong các muối của Ca, Fe, Al,… trong các mỏ quặng, muối photphat có khả năng lưu động chậm trong đất. Mặc dù photphat được coi là cố định cao trong đất, nhưng nếu khả năng hấp thụ photphat của đất bị vượt quá thì photphat sẽ nhanh chóng chuyển xuống lớp đất sâu hơn và tập trung vào dòng chảy lớp dưới mặt đất. Mức độ và tốc độ di chuyển phụ thuộc vào khả năng phát sinh tự nhiên của photphat trong đất.
Trong môi trường nước, P tồn tại ở các dạng: H2PO4-, HPO42-, PO43- dạng polymetaphotphat như: (NaPO3)6 và photpho hữu cơ. Trong môi trường không khí: photphat tồn tại trên bề mặt hạt lơ lửng, dạng ion, trong các hạt bụi, các sol khí,… Trong trầm tích, photphat tồn tại trong các loại khoáng quặng trong đất, trầm tích. Ở Việt Nam, photphat tự nhiên được khai thác từ: Canxi photphat, được chia thành hai nhóm: Nhóm apatit: là photphat biến chất, kết tinh thành những vi tinh thể apatit, có độ cứng cao. Hàm lượng P2O5 thay đổi trong quặng từ 15% đến 36%.
Quặng loại một chứa 34-36% có thể xuất khẩu hoặc chế biến thành supe photphat; các loại quặng khác cần làm giầu trước khi chế biến. Quặng apatit tập trung ở mỏ apatit Lào Cai [3]. Đặng Thị Thúy Hạt 3 K25 – Cao học Hóa Môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Nhóm photphit thường gồm những kết hạch canxi photphat vô định hình, chứa sắt, nhôm, làm lượng thường thấp, tứ 5- 34%, dễ hòa tan trong axit yếu. Vì vậy khi xay nhỏ có thể làm phân bón trực tiếp.
Thường gặp trong các núi đá vôi ở Vĩnh Thịnh (Lạng Sơn), Nam Phát, Yêu Sơn, Thượng Hòa (Quảng Nam), Kiên Lương (Kiên Giang), ngoài ra còn có trong phân chim ở Hoàng Sa [3]. Từ 1968 đến nay, tất cả các loại quặng photphat thiên nhiên đều có thể sử dụng trực tiếp và tận dụng để chế biến làm phân bón. Chỉ có loại quặng 30-35% dùng để xuất khẩu [3]. Chu trình photphat trong đất Nguyên sinh vật vật Vi khuẩn Nguyên sinh động vật Photphat vô cơ HxPO4(3-x)- Động vật ăn thịt Lân hữu cơ hòa tan↔keo Photphat vô cơ không tan Phần hữu cơ còn lại Cặn lắng không hoạt tính Hình 1.
Chu trình photphat trong đất [8]. Vòng tuần hoàn bắt đầu từ photphat vô cơ (HxPO43-x) tạo thành chất dinh dưỡng cho vi khuẩn tồn tại và phát triển, một phần photphat vô cơ cung cấp cho nguyên sinh vật, một phần photphat không tan lắng cặn không hoạt tính. Nguyên sinh vật một phần quay trở lại photphat vô cơ. Một phần làm lân hữu cơ, một phần làm dinh dưỡng cho nguyên sinh động vật.
Nguyên sinh động vật làm thức ăn cho động vật ăn thịt và một phần chết đi tạo chất hữu cơ. Động vật ăn thịt thải ra phân, hoặc chết đi, tạo các hợp chất hòa tan, dạng keo có chứa photphat quay trở lại chu trình, phần hữu cơ còn lại lắng cặn không hoạt tính. Đặng Thị Thúy Hạt 4 K25 – Cao học Hóa Môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Nguồn photphat trong môi trường sinh thái đất có thể từ xác, bã hữu cơ, và vật chất không hữu cơ như phân bón, thuốc trừ sâu, muối apatit. Một phần photphat bị giữ lại bởi Ca3(PO4)3 và AlPO4 và FePO4 trong môi trường đất, một phần photphat phân hủy thành các ion HPO42-, H2PO4-, PO43- được hấp thụ vào rễ thực vật và vi sinh vật.
Để rồi chúng tạo ra các axit amin chứa P và các enzyme photphat, chuyển liên kết cao năng P thành năng lượng cho cơ thể. ATP thành ADP và giải phóng năng lượng. P tích lũy trong quả hạt rất cao, P là nguyên tố không thể thiếu của thực vật. Khi động vật ăn thực vật, photphat biến thành chất liệu của xương và của các liên kết enzyme [8].
Động thực vật, con người chết photphat trong cơ thể biến thành photphat trong môi trường sinh thái đất. Một phần photphat đi vào nước và đại dương. Ở đây chúng làm thức ăn cho động vật phù du. Cá tôm ăn động vật phù du.
Người ăn cá tôm thì photphat đi vào cơ thể người và cuối cùng người chết thì photphat trả lại cho môi trường sinh thái đất. Một phần nhỏ photphat nằm trong trầm tích dưới đáy biển. Một phần nhỏ nhờ thực vật rừng tiêu thụ rồi trả lại cho đất. Vòng tuần hoàn của photphat trong nước.
Động vật Thực Phần còn lại Phần còn lại vật của động vật của thực vật Photphat Các vi khuẩn tan trong đất Photphat không tan Hình 1. Chu trình photphat trong nước [8]. Đặng Thị Thúy Hạt 5 K25 – Cao học Hóa Môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Ở trong nước, chu trình photpho sinh học cũng diễn ra tương tự như ở trên cạn, nhưng do quá trình suy giảm ánh sáng và tầng nước mà quá trình sinh học hấp thụ dinh dưỡng và tái tạo dinh dưỡng diễn ra khác nhau theo độ sâu. Hiện tượng phân tầng nước thay đổi theo mùa và khác nhau ở các vùng khí hậu.