Lời Mở Đầu Các ngành công nghiệp mạ điện, khai khoáng, phân bón, thuộc da, may mặc, ắc quy, pin, giấy, thuốc trừ sâu,…ngày càng phát triển mạnh đã làm tăng sự tác động của ion kim loại tới môi trƣờng sống và sức khỏe con ngƣời. Không giống các hợp chất hữu cơ, ion kim loại nặng có xu hƣớng tích lũy trong cơ thể các sinh vật sống, đồng thời cũng làmột trong những nguyên nhân gây bệnh, gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời. Trong đó, các ion kim loại: Kẽm, đồng, niken, thủy ngân, cadmium, chì, mangan, crom [1] có khả năng gây ảnh hƣởng đáng kể đến sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng sống. Điển hình là kim loại mangan cũng trở thành kim loại có tính độc hại khi đƣợc hấp thu ở nồng độ cao gây ra hội chứng đƣợc gọi là “manganism”, gây ảnh hƣởng đến hệ thần kinh trung ƣơng, bao gồm các triệu chứng nhƣ đau đầu, mất ngủ, viêm phổi, run chân tay, đi lại khó khăn, co thắt cơ mặt, tâm thần phân liệt và thậm chí ảo giác.
Nó cũng có thể ảnh hƣởng tiêu cực đến hệ sinh thái thông qua chuỗi thức ăn. Với nồng độ quá cao trong nƣớc, mangan cùng với sắt là nguyên nhân gây ra hiện tƣợng nƣớc cứng, hiện tƣợng nhuộm màu các dụng cụ nấu nƣớng, đồ dùng nhà tắm và quần áo, gây mùi trong thức ăn và nƣớc uống… Do tính độc hại của mangan nên việc loại bỏ chúng khỏi nƣớc thải và nguồn nƣớc ngầm là rất quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe con ngƣời cũng nhƣ môi trƣờng [2]. Để xử lý ion kim loại nặng nhằm giảm thiểu tác động của nó, ngƣời ta đã sử dụng rất nhiều phƣơng pháp nhƣ: Kết tủa hóa học, trao đổi ion, hấp phụ, màng lọc,…[1, 3]. Ngày nay, phƣơng pháp trao đổi ion cũng đƣợc ứng dụng rộng rãi, nhƣng giá thành cao và gây ô nhiễm thứ cấp, việc giải hấp phức tạp vẫn còn là những trở ngại lớn.Một phƣơng pháp khác cho hiệu suất loại bỏ kim loại nặng rất cao là phƣơng pháp màng lọc, song giá thành còn cao, quá trình phức tạp, dễ gây tắc ngẽn màng.
Ngoài ra, phƣơng pháp xử lý ion kim loại cho hiệu suất tốt, nhanh chóng hiểu quả, ít tiêu hao hóa 1 Luận Văn Tốt Nghiệp chất, kiểm soát quá trình tốt là phƣơng pháp điện hóa, tuy nhiên nó lại yêu cầu vốn đầu tƣ ban đầu cao và đòi hỏi sử dụng nhiều điện năng. Trong những năm gần đây, Photpho và những hợp chất của nó đã đƣợc quan tâm nghiên cứu vì khả năng liên kết và tạo mạch polymer của nó. Các muối photphat kim loại kiềm cũng đã đƣợc sử dụng để loại bỏ các ion kim loại trong nƣớc nhƣ: Ca2+, Mg2+, Fe2+… Tuy nhiên, chúng có nhƣợc điểm là khó khống chế đƣợc lƣợng muối photphat còn dƣ trong nƣớc vì muối photphat kim loại kiềm dễ hòa tan trong nƣớc. Ngoài ra, do độc tính của photphat, nên việc tách các ion kim loại và kiểm soát dƣ lƣợng photphat sau khi xử lý cần đƣợc nghiên cứu.
Vì vậy, vấn đề đặt ra là điều chế các dạng muối photphat vẫn tan trong nƣớc nhƣng độ tan đƣợc khống chế mà vẫn tách hoàn toàn các ion kim loại trong nƣớc nhƣ các muối metaphotphat, polyphotphat, α- tricanxiphotphat… Trong đề tài này chúng tôi tiến hành nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến sự hình thành Canxi metaphotphat, khảo sát khả năng xử lý ion Mn2+. Trong nƣớc các ion kim loại sẽ kết hợp với gốc PO43- tạo tủa photphat không tan, đƣợc loại bỏ và hạn chế đƣợc tối đa dƣ lƣợng photphat trong nƣớc sau khi xử lý. Lƣợng bùn thải sau khi xử lý có thể đƣợc sử dụng cung cấp các yếu tố vi lƣợng trong phân bón… 2 Luận Văn Tốt Nghiệp 1 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .1 MANGAN VÀ ĐỘC TỐ:.1 Khái quát về mangan .2 Vấn đề ô nhiễm mangan trong nƣớc ngầm .3 Vấn đề ô nhiễm mangan trong nƣớc thải công nghiệp .4 Mangan đối với cơ thể ngƣời .3 Tính chất lý hóa của Ca(PO3)2 .4 Các phƣơng pháp điều chế CMP .3 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ Mn2+ TRONG NƢỚC.1 Xử lý Mn2+ trong nƣớc bằng phƣơng pháp kết tủa .2 Xử lý ion kim loại nặng bằng muối photphat .4 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN. 20 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ .2 Dụng cụ và thiết bị .2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .3 ĐIỀU CHẾ CMP .1 Khảo sát ảnh hƣởng tỷ lệ mol Ca/P đến chất lƣợng CMP .2 Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ nung đến chất lƣợng CMP .3 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian nung đến sự hình thành CMP .4 KHẢO SÁT ĐỘ TAN CỦA CMP TRONG NƢỚC .5 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ LÝ Mn2+ TRONG NƢỚC .1 Ảnh hƣởng của thời gian xử lý .2 Ảnh hƣởng của tỷ lệ CMP/Vdung dịch Mn2+ .3 Ảnh hƣởng của nồng độ Mn2+ ban đầu .6 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH.
31 3 Luận Văn Tốt Nghiệp 2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X .2 Phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại FTIR .3 Phƣơng pháp phân tích nhiệt TGA/DSC .4 Phƣơng pháp hiển vi điện tử SEM .5 Phƣơng pháp quang phổ hấp thu thấy đƣợc UV-VIS. 34 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .1 TỔNG HỢP CMP .1 Ảnh hƣởng của tỷ lệ mol Ca/P đến sự hình thành CMP .2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến sự hình thành CMP .3 Ảnh hƣởng của thời gian nung đến sự hình thành CMP .4 Phân tích hình thái phân tử CMP bột .5 Xác định nhóm chức của CMP bằng quang phổ hồng ngoại (FTIR) .6 Kết quả phân tích TG của bột trƣớc khi nung .2 KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ TAN CỦA CMP .1 Đƣờng chuẩn PO43-. Khảo sát độ tan của các mẫu CMP .3 KHẢ NĂNG XỬ LÝ Mn2+ TRONG NƢỚC .1 Ảnh hƣởng của thời gian xử lý .2 Ảnh hƣởng của tỷ lệ CMP/dung dịch .3 Ảnh hƣởng của nồng độ ion Mn2+ ban đầu .4 Thực nghiệm lại quá trình xử lý Mn2+ trong nƣớc. 58 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.
60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 4 Luận Văn Tốt Nghiệp 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 MANGAN VÀ ĐỘC TỐ: 1.1 Khái quát về mangan a) Tính chất vật lý và tính chất hóa học Mangan là một kim loại màu trắng bạc, có kí hiệu Mn và có số hiệu nguyên tử 25. Mangan có một số dạng thù hình khác nhau về mạng lƣới tinh thể và tỉ khối bền nhất ở nhiệt độ thƣờng là dạng α với mạng lƣới lập phƣơng tâm khối. Mangan rất cứng và rất dễ vỡ nhƣng dễ bị oxi hóa. Các trạng thái oxi hóa phổ biến nhất của Mangan là +2, +3, +4, +6 và +7.
Trong đó, trạng thái ổn định nhất của Mn là +2. Mangan là kim loại tƣơng đối hoạt động, nó dễ bị oxi hóa trong không khí bởi các chất oxi hóa mạnh nhƣ O2, F2, Cl2 và tham gia phản ứng với dung dịch các axit loãng nhƣ HCl, H2SO4 nhƣng lại thụ động trong dung dịch HNO3 đặc, nguội. b) Những ứng dụng chính của mangan và các hợp chất của mangan Ứng dụng lớn nhất của mangan là trong công nghiệp sản xuất sắt, gang, hợp kim thép, nhất là trong việc chế tạo thép không gỉ. Ứng dụng lớn thứ hai của mangan là sản xuất các hợp kim nhôm.
Ngoài ra, các hợp chất của mangan đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau nhƣ: điện tử, làm sạch, khử màu, tẩy uế… c) Vai trò của mangan đối với sự sống Mangan là một nguyên tố cần thiết và quan trọng cho tất cả các loài sinh vật. Trong cơ thể ngƣời, mangan là thành phần của nhiều enzym đồng thời góp phần kích hoạt các enzym khác, tham gia vào một số quá trình nhƣ: tổng hợp a xít béo và chlesterol, sản xuất hooc môn giới tính. Ở động vật thí nghiệm, thiếu mangan dẫn đến chậm tăng trƣởng, bất thƣờng xƣơng, gây sai sót trong quá trình chuyển hóa cacbohydrat và chất béo. Mangan cũng đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp lignin, chuyển hóa axít thephenolic và trong quá trình quang hợp ở thực vật.
5 Luận Văn Tốt Nghiệp 1.2 Vấn đề ô nhiễm mangan trong nƣớc ngầm a) Ô nhiễm mangan trong nước ngầm trên thế giới Mangan có mặt trong hơn 100 loại khoáng khác nhau. Thông qua quá trình rửa trôi, phong hóa của đất đá và các hoạt động của con ngƣời mangan sẽ đƣợc tích tụ trong các nguồn nƣớc bề mặt rồi từ nƣớc bề mặt sẽ ngấm vào những mạch nƣớc trong lòng đất. Đó là lí do vì sao mangan hiện nay đã có mặt trong nguồn nƣớc ngầm của nhiều quốc gia trên thế giới. Nồng độ mangan trong nƣớc ngầm chịu ảnh hƣởng của 3 yếu tố chính: địa hóa của khoáng vật, điều kiện hóa học của nƣớc và hoạt động của các vi sinh vật.
Sự có mặt của mangan ở nồng độ thấp trong các nguồn nƣớc tự nhiên là cần thiết cho sức khỏe của con ngƣời. Tuy nhiên, ở nồng độ cao, mangan lại gây ra nhiều tác động tiêu cực. Dựa trên những số liệu về nguy cơ ảnh hƣởng tới sức khỏe của mangan, các tổ chức và quốc gia đã đƣa ra các tiêu chuẩn về mangan trong nƣớc ăn uống khác nhau. Tình trạng ô nhiễm mangan trong nƣớc ngầm đang xảy ra tại nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó đáng chú ý nhất là ở Băng-la-đét, Cam-pu-chia và đồng bằng sông Mê-kông.
Có thể nói rằng đối với Băng-la-đét đây thực sự là một thảm họa. Tầng ngậm nƣớc nông là nguồn cung cấp nƣớc ăn uống chính cho một lƣợng lớn dân cƣ ở vùng ngoại ô và vùng đô thị. Tuy nhiên, điều đáng lo ngại hiện nay là trong một cuộc khảo sát đƣợc tiến hành gần đây đã cho kết quả hơn một nửa số giếng ở Băng-la-đét có nồng độ vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép về mangan và sắt. Nồng độ mangan trong 3534 mẫu nƣớc ngầm dao động trong khoảng từ < 0,001 mg/L đến 9,98 mg/L.
Giá trị trung bình và trung vị lần lƣợt là 0,554 mg/L và 0,287 mg/L. 27% số mẫu có nồng độ nhỏ hơn tiêu chuẩn cho phép của Băngla-đét (0,1 mg/L). 32% số mẫu có nồng độ mangan trong khoảng 0,1 - 0,4 mg/L. 25% số mẫu có nồng độ trong khoảng 0,4 - 1,0 mg/L.
17% số mẫu có nồng độ mangan > 1,0 mg/L và 10 mẫu có nồng độ mangan vƣợt quá 5 mg/L [4]. 6 Luận Văn Tốt Nghiệp Vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc hiện nay là một điểm nóng đối với đồng bằng châu thổ sông Mê-kông rộng lớn (diện tích khoảng 62000km2), 50% số giếng có nồng độ mangan vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép của WHO (0,4mg/L). Do đó, mangan đƣợc đánh giá là chất gây ô nhiễm quan trọng thứ hai trong nƣớc ngầm sau asen ở đồng bằng Mê- kông.
