MỞ ĐẦU Một trong những nhu cầu thiết yếu cho sự sống còn của con người là nước. Trái đất là một hành tinh với 71% bề mặt được bao phủ bởi nước. Tuy nhiên, nước biển chiếm đến 97% và chỉ có 3% là nước ngọt. Trong tổng trữ lượng nước ngọt, chỉ có 0,06% là có thể được khai thác sử dụng (Rijsberman, 2006) số còn lại là băng tuyết và phần nước ngầm không thể khai thác.
Nhu cầu về nước sạch liên tục tăng do sự gia tăng nhanh chóng về dân số và các hoạt động công, nông nghiệp. Hơn 80 quốc gia chiếm 40% dân số thế giới đang phải đối mặt với nạn thiếu nước trầm trọng. Ước tính hiện có khoảng 1,2 tỷ người đang phải uống nước không an toàn (Rijsberman, 2006). Do đó, việc tìm kiếm các nguồn nước và các công nghệ xử lý nước hiệu quả nhằm khắc phục tình trạng khan hiếm nước đã trở thành một thách thức toàn cầu.
Ô nhiễm nước liên tục gia tăng trên thế giới, cản trở sự phát triển kinh tế, xã hội và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Cho đến nay, khan hiếm nước không chỉ do sự khan hiếm về lượng mà còn bởi sự suy giảm về chất lượng nước, giảm lượng nước an toàn để đưa vào sử dụng. Nước bị ô nhiễm có thể chứa nhiều tác nhân ô nhiễm khác nhau. Trong đó ô nhiễm nước do amoni được đánh giá là phổ biến và ngày càng diễn ra trên diện rộng.
Việc xử lý amoni được giới khoa học quan tâm nghiên cứu, do những ảnh hưởng của chúng đối với hệ sinh thái cũng như đối với sức khỏe con người. Cho đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm kiếm các công nghệ cũng như vật liệu loại bỏ amoni trong nước. Trong tất cả các kỹ thuật đã được sử dụng, hấp phụ được đánh giá là công nghệ phổ biến, hiệu quả cao trong xử lý nước do hệ thống đơn giản, tốc độ cao, dễ điều khiển và chi phí thấp. Tính hiệu quả của công nghệ hấp phụ trong xử lý nước nói chung phụ thuộc vào đặc tính, cấu trúc và chức năng của chất hấp phụ.
Trên thực tế thì có rất nhiều vật liệu có khả năng hấp phụ amoni (zeolit, than hoạt tính, bentonit , clinoptilolit) trong nước. Một nhóm vật liệu hấp phụ amoni hiện đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu là vật liệu hydrogel composit (HC). Vật liệu HC hấp phụ tốt amoni nhờ tính ưa nước và nếu được thiết kế với các nhóm chức năng phù hợp 9 vật liệu có khả năng hấp phụ amoni với dung lượng và tốc độ cao. HC có nhiều ưu điểm hơn so với các chất hấp phụ truyền thống: tốc độ hấp phụ, khả năng hấp phụ cao, dễ dàng tách, phạm vi ứng dụng pH rộng, dễ dàng tái sinh.
Các nhà khoa học cho rằng HC có thể là vật liệu phù hợp để loại bỏ amoni trong nước ăn uống cũng như nước thải trong tương lai. Trên cơ sở các phân tích trên chúng tôi lựa chọn đề tài: “Tổng hợp và nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni (NH4+-N) của composit hydrogel Chitosan-g-poly( acrylic acid)”. Mục đích của đề tài là tổng hợp được vật liệu Chitosan-g-poly(Acrylic acid)/Bentonit (ký hiệu CPB) và đánh giá khả năng hấp phụ amoni của vật liệu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu trong đề tài: Nghiên cứu quá trình tổng hợp CPB từ chitosan (CTS), axit acrylic (AA), N, N’- methylenebisacrylamide (MBA) và bentonit bằng phương pháp trùng hợp ghép.
Xác định các thông số chủ yếu của quá trình tổng hợp bao gồm hàm lượng bentonit, tỷ lệ (AA)/CTS, hàm lượng MBA, thời gian phản ứng và nhiệt độ phản ứng. Xác định hành vi hấp phụ amoni trong nước của vật liệu tổng hợp. Nghiên cứu tổng hợp một vật liệu tương đối mới, hướng đến giải quyết một vấn đề bức thiết trong xử lý ô nhiễm môi trường do vậy đề tài mang ý nghĩa khoa học và có tính thực tiễn cao. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC 1. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước trên thế giới Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngày càng trầm trọng. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm amoni nhưng chủ yếu vẫn là do bùng nổ dân số và sự phát triển nhanh chóng của các ngành nông, công nghiệp. Các ngành công nghiệp hàng năm thải ra hàng triệu tấn các kim loại nặng, dung môi, bùn thải độc hại và các chất độc hại khác vào các vùng chứa nước.
Ngành nông nghiệp sử dụng 70% tổng lượng nước trên toàn thế giới và cũng thải ra một lượng lớn các hóa chất nông nghiệp, chất hữu cơ, dư lượng thuốc trừ sâu,… Ngày nay, đồng hành với sự phát triển của các ngành công, nông nghiệp, là sự bùng nổ dân số (năm 2050 dự kiến dân số thế giới sẽ đạt 9,8 tỷ người) với nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng, tiếp tục dẫn đến việc phát triển hơn nữa của các ngành nông nghiệp và nó sẽ lại tác động mạnh đến chất lượng nước. Phân bón vô cơ đã được sử dụng từ thế kỷ XIX để bổ sung nguồn khoáng trong đất và phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Các loại phân bón vô cơ, các chất dinh dưỡng nguồn khoáng bổ sung trong đất đã tăng nhanh chóng. Thế giới hiện nay tiêu thụ phân bón khoáng sản gấp 10 lần so với năm 1960.
Thêm vào đó là việc sử dụng ngày càng tăng các loại thuốc trừ sâu trong nông nghiệp. Ngày nay, sản lượng thuốc trừ sâu đã đạt giá trị hàng tỷ đô la trên toàn cầu (hơn 35 tỷ USD/năm, FAO, 2016) [1].1 đưa ra giá trị thương mại thuốc trừ sâu toàn cầu, giai đoạn 1970-2014. Việc thải các hợp chất nitơ hoặc nước thải có chứa hợp chất nitơ vào nước ngọt đã trở thành một vấn đề ô nhiễm nước nghiêm trọng ở nhiều quốc gia [2]. 11 Nguồn: FAO, 2016 [1] Hình 1.
Giá trị thương mại thuốc trừ sâu toàn cầu, giai đoạn 1970-2014. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ở Việt Nam Theo khảo sát của các nhà khoa học phần lớn nước ngầm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ như Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Hải Dương. đều bị ô nhiễm amoni rất nặng, vượt tiêu chuẩn nhiều lần. Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni ở nồng độ cao hơn tiêu chuẩn (3mg/l) là khoảng 70-80%.
Ngoài amoni, không ít nguồn còn chứa khá nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxy hóa có nguồn đạt tới 30-40 mg oxy/ lit. Như vậy tình trạng ô nhiễm amoni và hợp chất hữu cơ trong nước ngầm ở Đồng bằng Bắc Bộ đã đến mức báo động. Chất lượng nước ngầm có nhiều thông số như amoni vượt quá tiêu chuẩn cho phép (TCCP). Kết quả khảo sát tại khu vực Hà Nội: trong nước ngầm tầng nông (3- 10m), có 21/37 giếng quan trắc có hàm lượng amoni cao hơn TCCP.
Hàm lượng cao nhất là 42,00 mg/L tại Sơn Đồng, Hoài Đức, Hà Nội. Với amoni trong nước ngầm tầng sâu (~ 20 m) khi quan trắc ở 28 công trình tất cả đều có hàm lượng amoni cao hơn TCCP. Trong đó hàm lượng cao nhất là 70 mg/L tại phường Phú Lãm, quận Hà Đông, Hà Nội [3]. Tại các tỉnh khác như: Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình, Nam Định,.
cũng có hàm lượng amoni cao vượt ngưỡng TCCP. Các mẫu nước từ các huyện thuộc tỉnh Hà Nam đều bị ô nhiễm amoni nghiêm trọng. Tại Viện Địa lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam các nhà khoa học đã nghiên cứu và cho thấy riêng ở Lý Nhân có một số mẫu 12 nước với hàm lượng amoni lên tới 111,8 mg/l, gấp 74 lần so với tiêu chuẩn bộ Y Tế (TC BYT), còn ở Duy Tiên là 93,8 mg/l gấp 63 lần [3]. Tại thành phố Hồ Chí Minh tình hình cũng tương tự.
Theo Chi cục bảo vệ môi trường TP.HCM, kết quả quan trắc nước ngầm tầng nông gần đây cho thấy ô nhiễm nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi. Cụ thể nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/l, cao gấp 1,9 lần so với năm 2005). Độc tính của amoni đối với sức khỏe của con người Bản thân amoni không quá độc với cơ thể, nhưng nếu tồn tại trong nước với hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép, nó có thể chuyển hóa thành các tác nhân gây ung thư dẫn đến nhiều bệnh nguy hiểm khác. Khi chuyển hóa hết 1g amoni sẽ tạo thành 2,7 g nitrit và 3,65 g nitrat trong khi theo khuyến cáo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) mức giới hạn trong nước ăn uống là 3 và 50mg/l đối với nitrit và nitrat tương ứng.
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước ăn uống của Việt Nam cũng quy định tương tự (QCVN 01:2009/BYT). Các hợp chất nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat trong sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa.
Sau khi vào cơ thể, nitrat được chuyển hoá nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat, khi tác dụng với các amin trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nito gây ra các vấn đề nghiêm trọng bao gồm ung thư, bệnh xanh da trời ở trẻ sơ sinh. Đặc biệt, ô nhiễm amoni trong môi trường nước cùng với photphat tạo ra hiện tượng phú dưỡng, cạn kiệt oxy hòa tan, và gây độc cho các loài thủy sinh [1]. Ngoài ra, amoni là một trong những yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp: làm giảm tác dụng của clo, giảm hiệu quả khử trung nước do phản ứng với clo tạo thành monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém clo hơn 100 lần.
Amoni cùng với các chất vi lượng trong nước (hợp chất hữu cơ, phốt pho, sắt, mangan…) là “thức ăn” để vi khuẩn phát triển, gây ảnh hưởng tới chất lượng nước sau xử lý. Nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống dẫn, 13 chứa nước, làm mất mỹ quan (NH4+ là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo và vi sinh vật phát triển). Các dạng tồn tại của amoni trong nước Trong nước amoni tồn tại dưới 2 dạng là dạng NH3 hòa tan và dạng ion NH4+. Tùy thuộc vào pH của nước mà luôn có cân bằng giữa trong NH4+ / NH3: NH4+ NH3 + H+ (1.