MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trƣờng, suy thoái tài nguyên và biến đổi khí hậu đang là thách thức lớn nhất của nhân loại trong thế kỷ XXI. Các mối nguy hại này đã và đang làm thay đổi toàn diện, sâu sắc các hệ sinh thái tự nhiên, đời sống kinh tế - xã hội, đe dọa nghiêm trọng đến môi trƣờng, năng lƣợng, lƣơng thực trên phạm vi toàn cầu. Đặc biệt, hiện nay tình trạng ô nhiễm trong môi trƣờng nƣớc và đất đang là mối nguy cơ báo động. Các chất ô nhiễm đƣợc sinh ra bằng nhiều nguồn.
Chẳng hạn nhƣ việc sử dụng quá nhiều phân đạm chứa nhiều NO-3 trong nông nghiệp, ô nhiễm thuốc bảo vệ thực vật, chất thải công nghiệp có chứa SO2, NO2 và các kim loại nặng nhƣ chì, arsen, crom, cadimi… Tại các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc do không có công trình và thiết bị xử lý nƣớc thải. Đối với nƣớc thải chƣa đƣợc xử lý, hàm lƣợng xyanua vƣợt đến 84 lần, H2S vƣợt 4,2 lần, hàm lƣợng NH3 vƣợt 84 lần tiêu chuẩn cho phép. Hàm lƣợng ion kim loại trong nƣớc thải vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép gây ảnh hƣởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con ngƣời. Nhiễm độc Asen trong thời gian dài làm tăng nguy có gây ƣng thƣ bàng quang, thận, gan và phổi.
Asen còn gây ra các chứng bệnh về tim. Zn còn có khả năng gây ung thƣ đột biến, gây ngộ độc hệ thần kinh, sự nhạy cảm, sự sinh sản, gây độc đến hệ miễn nhiễm. Đặc biệt, với đặc tính tồn tại lâu trong môi trƣờng, không bị vi sinh phân hủy, khi vào cơ thể chất hữu cơ mang màu làm tăng nguy cơ ung thƣ, sảy thai, dị tật bẩm sinh và các bệnh về da, hô hấp. Sử dụng vật liệu nano Fe0 (nano Zero-valent iron) đang trở thành một sự lựa chọn ngày càng phổ biến cho việc xử lý chất độc hại và khắc phục các khu vực bị ô nhiễm.
Fe hóa trị 0 là chất khử mạnh, có hoạt tính khá tốt trong các phản ứng phân hủy các hợp chất chứa Clo, Nitơ, hợp chất chứa nhân thơm nhƣ benzen, phenol, các hợp chất hữu cơ mang màu. Có rất nhiều phƣơng pháp để chế tạo vật liệu sắt kích thƣớc nano nhƣ phƣơng pháp nghiền, phƣơng pháp vi nhũ tƣơng, đồng kết tủa, khử hóa học… Trong đó, phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến nhất để chế tạo vật liệu sắt kích thƣớc nano ứng dụng trong môi trƣờng là phƣơng pháp khử borohiđrit. Phƣơng pháp này đơn giản, hiệu suất cao, cho hạt có kích thƣớc nhỏ và độ đồng đều cao. Khóa luận đƣợc thực hiện với đề tài: “Nghiên cứu chế tạo hạt nano sắt hóa trị 0 (Fe0) nhằm ứng dụng trong xử lý môi trường nước”.
Mục đích của khóa luận là bƣớc đầu nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt kích thƣớc nano bằng phƣơng pháp khử borohiđrit và xem xét khả năng xử lý chất hữu cơ mang màu của vật liệu này ở quy mô phòng thí nghiệm dựa trên phản ứng phân hủy xanh metylen. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm các nội dung sau: - Nghiên cứu qui trình chế tạo ZVI kích thƣớc nhỏ hơn 100 nm. - Nghiên cứu quy trình bọc hạt nano ZVI trong môi trƣờng phân tán phù hợp. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 - Nghiên cứu các tính chất hạt nano ZVI và hạt ZVI bọc, xác định cấu trúc và kích thƣớc hạt nano, hạt bọc.
- Nghiên cứu hoạt tính của hạt nano ZVI và hạt ZVI bọc trong phản ứng phân hủy xanh metylen LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 CHƢƠNG 1.1 Tình hình ô nhiễm môi trường nước và đất Hiện nay, tình trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc và đất đang báo động trên quy mô toàn cầu. Các chất gây ô nhiễm đƣợc sinh ra bằng nhiều nguồn. Chẳng hạn bón nhiều phân đạm vào thời kỳ mong muốn cho rau quả, đã làm tăng đáng kể hàm lƣợng NO3- trong sản phẩm. Ô nhiễm thuốc bảo vệ thực vật.
Thuốc bảo vệ thực vật có đặc điểm rất độc đối với mọi sinh vật, tồn dƣ lâu dài trong môi trƣờng đất - nƣớc, tác dụng gây độc không phân biệt, nghĩa là gây chết tất cả những sinh vật có hại và có lợi trong môi trƣờng đất. Kim loại nặng: Ô nhiễm chất thải vào môi trƣờng đất và nƣớc do hoạt động công nghiệp. Kết quả của một số khảo sát cho thấy hàm lƣợng kim loại nặng trong đất gần các khu công nghiệp đã tăng lên trong những năm gần đây. Từ các lò nung và chế biến hợp kim nhƣ trong quá trình sản xuất và chế biến các loại kim loại nhƣ đồng, niken, kẽm, bạc, cobalt, vàng và cadimi, môi trƣờng cũng bị ảnh hƣởng nặng nề.
Hầu hết các kim loại nặng đều có độc tính cao đối với con ngƣời và các động vật khác. Nitrat (NO3-): là sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy các chất chứa nitơ có trong chất thải của ngƣời và động vật. Trong nƣớc tự nhiên nồng độ nitrat thƣờng nhỏ hơn 5 mg/lit. Do các chất thải công nghiệp, nƣớc chảy tràn chứa phân bón từ các khu nông nghiệp, nồng độ của nitrat trong các nguồn nƣớc có thể tăng cao, gây ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc sinh hoạt và nuôi trồng thủy sản.
Trẻ em uống nƣớc chứa nhiều nitrat có thể bị mắc hội chứng methemoglobin (hội chứng “trẻ xanh xao”). Hợp chất chứa Clo: Các chất polychlorophenol (PCPs), polychlorobiphenyl (PCBs: polychlorinated biphenyls), các hydrocacbon đa vòng ngƣng tụ (PAHs: polycyclic aromatic hydrocacbons), các hợp chất dị vòng N, hoặc O là các hợp chất hữu cơ bền vững. Các chất này thƣờng có trong nƣớc thải công nghiệp, nƣớc chảy tràn từ đồng ruộng (có chứa nhiều thuốc trừ sâu, diệt cỏ, kích thích sinh trƣởng…). Các hợp chất chứa Clo - chlorinated hydrocarbones nhƣ tetrachloride CCl4, Cloroform CHCl3, Trichloroethene C2HCl3, tetrachloroethene C2Cl4… thải ra từ các nguồn khác nhau.
Các hợp chất độc hại nói trên là các tác nhân gây ô nhiễm nguy hiểm, ngay cả khi có mặt với nồng độ rất nhỏ trong môi trƣờng. Nhóm hợp chất phenol: Phenol và các dẫn xuất phenol có trong nƣớc thải của một số ngành công nghiệp (lọc hoá dầu, sản xuất bột giấy, nhuộm…). Các hợp chất này làm cho nƣớc có mùi, gây tác hại cho hệ sinh thái nƣớc, sức khoẻ con ngƣời, một số dẫn xuất phenol có khả năng gây ung thƣ (carcinogens). TCVN 5942-1995 quy định nồng độ tối đa của các hợp chất phenol trong nƣớc bề mặt dùng cho sinh hoạt là 0,001 mg/l.
Các chất có màu: Nƣớc nguyên chất không có màu, nhƣng nƣớc trong tự nhiên thƣờng có màu do các chất có mặt trong nƣớc nhƣ: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 - Các chất hữu cơ do xác thực vật bị phân hủy sắt và mangan dạng keo hoặc dạng hòa tan, các chất thải công nghiệp. - Các chất thải công nghiệp (phẩm màu, crom, tanin, Lignin…) Sự ô nhiễm nƣớc do nitrat và photphat từ phân bón hóa học cũng đáng lo ngại. Khi phân bón đƣợc sử dụng một cách hợp lý thì làm tăng năng suất cây trồng và chất lƣợng của sản phẩm cũng đƣợc cải thiện rõ rệt. Nhƣng các cây trồng chỉ sử dụng đƣợc khoảng 30 - 40% lƣợng phân bón, lƣợng dƣ thừa sẽ vào các dòng nƣớc mặt hoặc nƣớc ngầm, sẽ gây hiện tƣợng phì nhiêu hoá sông hồ, gây yếm khí ở các lớp nƣớc phía dƣới.
Các hợp chất hữu cơ độc hại nhƣ: các dẫn xuất của phenol, các hợp chất bảo vệ thực vật nhƣ thuốc trừ sâu DDT, linden (666), endrin, parathion, pesticides, … các chất tẩy rửa có hoạt tính bề mặt cao là những chất ảnh hƣởng không tốt đến sức khỏe, bị nghi ngờ là gây ung thƣ.2 Hạt nano sắt 1. Sự khác nhau cơ bản giữa sắt và sắt nano 1. Sắt Sắt là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Fe và số hiệu nguyên tử bằng 26. Nằm ở phân nhóm VIIIB chu kỳ 4.
Sắt đƣợc biết là nguyên tố có thể tạo thành qua tổng hợp ở nhân sao (hình thành qua phản ứng hạt nhân ở tâm các vì sao) mà không cần phải qua một vụ nổ siêu tân tinh hay các biến động lớn khác. Do đó sắt khá dồi dào trong các thiên thạch kim loại và các hành tinh lõi đá (nhƣ Trái Đất, Sao Hoả). Là kim loại có màu trắng, hơi xám, dẻo, dễ rèn, nóng chảy ở 1540oC, khối lƣợng riêng D=7,9 g/cm3, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có tính nhiễm từ. Sắt là kim loại đƣợc sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lƣợng kim loại sản xuất trên toàn thế giới.
Sự kết hợp của giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho nó trở thành không thể thay thế đƣợc, đặc biệt trong các ứng dụng nhƣ sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, các bộ khung cho các công trình xây dựng. Tính chất hóa học cơ bản của sắt là tính khử và nguyên tử sắt có thể bị oxy hóa thành ion Fe2+ hoặc Fe3+ tùy thuộc vào chất oxy hóa đã tác dụng với sắt. - Tác dụng với phi kim: Sắt tác dụng với hầu hết tất cả các phi kim khi đun nóng. Với các phi kim có tính oxi hóa mạnh nhƣ ôxy và clo thì sẽ tạo thành những hợp chất trong đó sắt có số oxi hóa là +3.
2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 3FeO + 2O2 → Fe3O4 Trong không khí ẩm sắt dễ bị rỉ theo phản ứng: 4Fe + O2 + nH2O → 2Fe2O3.nH2O Đối với các phi kim yếu hơn nhƣ lƣu hùynh,.tạo thành hợp chất trong đó sắt có số oxi hóa +2: Fe + S → FeS - Tác dụng với các hợp chất: Sắt dễ tan trong dung dịch axit HCl và H2SO4 loãng Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2 Fe0 + 2H+(dd) → Fe+(dd) + H2 Đối với các axít có tính oxi hóa mạnh nhƣ HNO3 hay H2SO4 đặc nóng thì sản phẩm phản ứng sẽ là muối sắt với sắt có số oxi hóa +3 và các sản phẩm khử của N:N2O, NO, NO2 hoặc của S: SO2. Ở nhiệt độ thƣờng, trong axit nitric đặc và axit sulfuric đặc, sắt tạo ra lớp oxit bảo vệ kim loại trở nên thụ động, không bị hòa tan. Sắt đẩy các kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của chúng. Sắt nano Nhìn chung các hạt nano sắt có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với các hạt sắt và bột sắt thông thƣờng.
Nghiên cứu gần đây cho thấy sử dụng hạt sắt nano trong xử lý môi trƣờng cho hiệu quả rất cao chuyển đổi một lƣợng lớn các chất gây ô nhiễm môi trƣờng, không tốn kém và không độc hại.