Đặt vấn đề Thế giới ngày càng phát triển và đi kèm với đó là vấn đề gia tăng dân số và ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng. Trong đó bao gồm ô nhiễm đất, ô nhiễm nước và ô nhiễm không khí dẫn đến môi trường sống xung quanh chúng ta bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Để đáp ứng cho nhu cầu ngày càng cao của con người, các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp phải làm việc với công suất lớn và kèm theo đó là phát sinh một lượng chất thải cũng không hề nhỏ. Do đó cần phải có những giải pháp xử lý nguồn chất thải phát sinh đó một cách hiệu quả.
Một trong số những thành phần chất thải phát sinh này gây ô nhiễm nghiêm trọng, đó là phốt phát, vì dạng ô nhiễm này gây ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái, môi trường sống của con người và động vật. Trong môi trường tự nhiên, phốt pho thường tồn tại dưới dạng octo phốt phát (PO43-). Đây là thành phần dinh dưỡng cần thiết cho thực vật phát triển. Phốt pho cũng là thành phần phổ biến có trong phân bón, được sử dụng rộng rãi trong ngành nông nghiệp, vì nó làm tăng năng suất cây trồng.
Ngoài ra phốt pho còn được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, chế tạo vũ khí… Cùng với đó, một lượng lớn phốt pho dư thừa được thải bỏ ra ngoài, sẽ tích tụ trong đất hoặc bị cuốn trôi ra sông, hồ và vùng ven biển. Phốt pho có thể kích thích sự phát triển của tảo và gây ra quá trình phú dưỡng hóa. Khi tảo chết đi và phân hủy, nguồn nước sẽ lại bị ô nhiễm, gây ảnh hưởng đến các loài động vật trong khu vực gần đó, phá vỡ sự cân bằng sinh thái trong lưu vực. Nhưng phần lớn lượng phốt pho không biến mất trong nước sau hiện tượng trên mà tiếp tục tích tụ trong đất gây ô nhiễm đất dẫn đến ô nhiễm nguồn nước ngầm.
Vì vậy việc loại bỏ phốt pho có trong nước thải là cần thiết. Hiện nay có nhiều phương pháp để xử lý lượng phốt pho này, phải kể đến là phương pháp sinh học (kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí) và phương pháp hóa lý (keo tụ tạo bông, trao đổi ion, hấp phụ). Tuy nhiên phương pháp sinh học thường khó kiểm soát, phốt pho chuyển hóa thành sinh khối nên sau đó cần phải xử lý lượng bùn thải này. Với phương pháp hóa lý cũng vậy, lượng bùn hóa lý dạng vô cơ cần phải xử lý.
Bên cạnh Trang 2 2 giải pháp này, còn có những phương pháp khác ưu việt hơn như trao đổi ion và hấp phụ bằng vật liệu nano, có thể loại bỏ phốt pho trong nước nhưng vẫn không phát sinh bùn thải, hơn nữa vật liệu nano còn có thể hoàn nguyên tái sử dụng lại [1, 2], lượng phốt pho có thể được tách ra làm phân bón cho cây trồng [3, 4]. Đây cũng được xem là một giải pháp đầy hứa hẹn mà công nghệ vật liệu nano có thể phát triển cho mục đích này. Vật liệu nano hấp phụ chất ô nhiễm thường được phát triển từ các oxit và hydroxit của các kim loại như Fe, Mn, Al…Đã có nhiều nghiên cứu trong nước và trên thế giới về các hạt nano oxit và hydroxit vì chúng có khả năng xử lý chất ô nhiễm với hiệu suất cao nhưng lại không phát sinh bùn thải và có thể hoàn nguyên tái sử dụng. Tuy nhiên, vật liệu nano đơn lẻ có hiệu quả xử lý thấp nên chúng hay kết hợp với thành phần khác, được biến tính để đạt hiệu quả xử lý chất ô nhiễm cao hơn (ví dụ: nano oxit sắt gắn trên tro trấu hoạt hóa [5], nano oxit sắt kết hợp với oxit khác [6]…).
Do đó việc thực hiện đề tài “Khả năng hấp phụ phốt phát của nano hydroxit sắt trên nền nhựa trao đổi anion” là rất cần thiết nhằm phát triển vật liệu nano mới có hiệu quả loại bỏ phốt phát cao trong xử lý nước thải,vửa mang tính học thuật và phù hợp với xu thế thời đại công nghệ nano hiện nay. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion phốt phát của nano hydroxit sắt trên nền nhựa trao đổi anion nhằm tăng khả năng xử lý phốt phát so với vật liệu ban đầu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: ion phốt phát trong dung dịch nước giả thải và nước thải sinh hoạt đã qua xử lý sinh học, vật liệu nano hydroxit sắt gắn trên nhựa trao đổi anion GS300. Phạm vi nghiên cứu: đánh giá khả năng và đặc tính hấp phụ của vật liệu nano hydroxit sắt gắn trên nhựa trao đổi anion đối với ion phốt phát trong nước giả thải và Trang 3 nước thải sinh hoạt sau hệ thống xử lý sinh học ở điều kiện và quy mô phòng thí nghiệm.
Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: - Chế tạo vật liệu nano hydroxit sắt trên nền nhựa trao đổi anion; - Xác định một số đặc trưng của vật liệu nano hydroxit sắt gắn trên nhựa trao đổi anion GS300 thông qua: phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FTIR) và ảnh chụp hiển vi điện tử quét (SEM); - Xác định điều kiện phù hợp cho quá trình hấp phụ ion phốt phát trong dung dịch của vật liệu nano hydroxit sắt gắn trên nhựa trao đổi anion GS300; + Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc; + Ảnh hưởng của pH dung dịch; + Ảnh hưởng của nồng độ phốt phát trong dung dịch và điều kiện nhiệt độ; + Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ; + So sánh khả năng hấp phụ phốt phát của một số loại nhựa trao đổi ion có trên thị trường hiện nay; + Thử nghiệm khả năng hấp phụ cạnh tranh phốt phát với các ion khác của vật liệu; + Thử nghiệm độ bền vật liệu; - Thử nghiệm khả năng hấp phụ kết hợp trao đổi ion của vật liệu nano hydroxit sắt gắn trên nhựa trao đổi anion GS300, đối với ion phốt phát trong nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học đạt loại B QCVN 14:2008/BTNMT, ở các điều kiện thích hợp đã khảo sát tại phòng thí nghiệm. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học Tổng hợp vật liệu mới, nano hydroxit sắt gắn trên nhựa trao đổi anion GS300 nhằm nâng cao hiệu quả hấp phụ, cũng như khả năng trao đổi ion phốt phát của vật liệu (so với vật liệu hydroxit sắt và vật liệu nhựa trao đổi anion riêng lẻ). Ý nghĩa thực tiễn Đề xuất một loại vật liệu mới và tích hợp để loại bỏ phốt phát trong môi trường nhằm đa dạng hóa vật liệu hấp phụ trong lĩnh vực xử lý môi trường hiện nay, từ đó tạo tiền đề cho nghiên cứu sản xuất vật liệu nano hydroxit sắt gắn trên nhựa trao đổi anion GS300 với quy mô lớn để xử lý các nguồn nước thải bị nhiễm ion phốt phát như: nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi, nước thải ngành sản xuất thực phẩm… 1.
Tính mới của đề tài Đề xuất một giải pháp điều chế vật liệu hiệu quả để ứng dụng trong loại bỏ phốt phát trong môi trường nước. Trang 5 CHƯƠNG 2. Sơ lược về phốt phát 2. Giới thiệu phốt phát Phốt phát là hợp chất muối của phốt pho và các khoáng chất khác (Ca+, Na+, Mg+, K+…) bao gồm phốt phát hữu cơ và phốt phát vô cơ.
Ngoài dạng phốt phát vô cơ và phốt phát hữu cơ, poly phốt phát là dạng tồn tại khác hay gặp trong nước thải. Trong môi trường nước, tất cả các dạng poly phốt phát đều có thể bị thuỷ phân tạo thành phốt phát đơn. Poly phốt phát là hợp chất tạo thành do quá trình trùng ngưng của axit photphoric 2. Nguồn gốc phát sinh phốt phát Trong nước thải sinh hoạt Nguồn phát thải phốt pho/phốt phát trong nước thải sinh hoạt là từ phân và chất tẩy rửa tổng hợp.
Ngoài ra một lượng thải ra đáng kể đi vào nước là từ thực phẩm thừa như sữa, thịt, cá. Thành phần ô nhiễm phốt pho tổng của nước thải sinh hoạt đạt giá trị 8-42 mg/L [7]. Nồng độ phốt pho trong nước thải sinh hoạt biến động theo lưu lượng nguồn nước thải, mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độ tập trung các dịch vụ công cộng, thời tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt, thay đổi mạnh theo chu kỳ thời gian ngày tháng cũng như mức sống và tiện nghi của cộng đồng [8]. Trong nước thải công nghiệp Ô nhiễm do hợp chất phốt pho từ sản xuất công nghiệp liên quan tới các ngành nghề như chế biến thực phẩm, chế biến thủy hải sản và giết mổ gia súc.
Lượng nước được sử dụng khá lớn ở nhiều công đoạn trong quá trình chế biến, các hợp chất chứa phốt pho theo đó được thải ra ngoài, lượng nước và nồng độ phốt pho thải ra khác nhau tùy vào nguyên liệu, ngành nghề chế biến như: chế biến cá da trơn, giết mổ gia súc gia cầm, chế biến sản phẩm đông lạnh và chế biến rau quả. Đặc biệt là ngành công nghiệp chế biến tôm với nồng độ phốt pho trong nước thải có thể lên đến 140 mgPO43-/L [9]. Bên cạnh đó còn có một số ngành thải ra nước thải có nồng độ phốt pho tổng cao như ngành sản xuất hóa mỹ phẩm, sản xuất các loại hóa chất, phân bón Trang 6 và ngành cao su, dệt nhuộm và chế biến mủ cao su. Nhà máy sản xuất hóa mỹ phẩm P&G thải ra nước thải chứa thành phần phốt pho tổng từ 5000-8000 mg/L [7].
Trong sản xuất nông nghiệp Trong nông nghiệp, phân lân, NPK có chứa hàm lượng phốt pho tồn tại dưới dạng phốt phát, được sử dụng để bổ sung dinh dưỡng cho cây trồng. Chúng được cây trồng hấp thu, nhưng cây trồng chỉ sử dụng một phần, còn lại tích tụ trong đất có thể bị cuốn theo dòng chảy hoặc thấm vào tầng nước dưới đất. Với nhu cầu lớn lượng phân bón cần sử sụng cho nông nghiệp, nếu bón phân không hợp lý, vượt quá nhu cầu sử dụng của cây trồng gây dư thừa và giải phóng ra môi trường cũng là nguyên nhân ô nghiễm, không chỉ nguồn nước mặt mà nguồn nước ngầm cũng bị ảnh hưởng. Ảnh hưởng của phốt phát đến con người và môi trường Ảnh hưởng tới môi trường Sau các hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người, nước thải chứa phốt pho chảy vào sông, hồ làm tăng đáng kể hàm lượng chất dinh dưỡng cho sinh vật.