Đặt vấn đề Nước ta hiện nay đang trong thời kỳ phát triển, với sự gia tăng dân số, đô thị hóa và công nghiệp hóa ngày càng mạnh, đó cũng là nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng, thể hiện ở nhiều dạng khác nhau như ô nhiễm đất, ô nhiễm nước và không khí. Vì vậy, để bảo vệ môi trường và phát triển bền vững cần phải quản lý và xử lý các loại chất thải phát sinh một cách hiệu quả. Trong xử lý nước và nước thải, nitrat là một trong những thành phần ô nhiễm được chú trọng vì dạng ô nhiễm này có ảnh hưởng trực tiếp và nghiêm trọng đến sức khỏe con người cũng như hệ sinh thái. Nitrat là một dạng tồn tại của nitơ trong môi trường.
Đây là thành phần dinh dưỡng cần thiết cho thực vật phát triển. Các muối của nitrat được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp, công nghiệp như: chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón, hóa mỹ phẩm…Do tính ứng dụng cao và phổ biến nên chúng được sử dụng ngày càng nhiều và thải ra môi trường ngày càng tăng. Khi thải ra môi trường, sự có mặt của chúng là nguồn dinh dưỡng dồi dào cho tảo phát triển, gây ra hiện tượng phú dưỡng, phá vỡ cân bằng sinh thái trong lưu vực, đe dọa môi trường sống của thủy sinh vật bản địa [1]. Ngoài ra khi lượng nitrat thấm xuống tầng nước dưới đất cũng gây ô nhiễm cho nguồn nước ngầm.
Nếu nồng độ ion nitrat trong nước uống cao có thể gây ra vấn đề sức khỏe con người, nitrat khi vào cơ thể được chuyển hóa thành nitrit, ion này tác dụng với hemoglobin (Hb) trong hồng cầu và chuyển thành methemoglobin, gây ngộ độc cơ thể [2]. Ngoài ra, khi nitrit kết hợp với các axit amin trong cơ thể sẽ hình thành các hợp chất nitrosamines, chất này có khả năng gây ung thư, gây quái thai và làm biến đổi gen [3]. Do đó, việc loại bỏ nitrat ra khỏi nguồn nước là việc làm rất cần thiết. Hiện nay, các phương pháp loại bỏ nitrat thông dụng như phương pháp sinh học (hiếu khí, thiếu khí) hoặc phương pháp hóa lý (trao đổi ion, hấp phụ…).
Tuy nhiên phương pháp sinh học thường khó kiểm soát, đòi hỏi kỹ thuật vận hành phước tạp, các vi sinh vật chuyển hóa nitơ trong nước thải để sinh trưởng và phát triển sinh khối, sinh ra lượng bùn sinh học lớn và cần phải xử lý tiếp tục lượng bùn này [4]. Hiện nay, một số giải pháp được đưa ra với tính ưu việt hơn về khả năng xử lý các 1 thành phần ô nhiễm trong nước, trong đó có thành phần nitrat đạt hiệu suất loại bỏ cao, như trao đổi ion, hấp phụ bằng vật liệu nano. Các phương pháp này có khả năng loại bỏ nitrat mà không phát sinh lượng bùn dư, mặt khác vật liệu còn có thể hoàn nguyên và sử dụng lại, đồng thời lượng nitrat được tách ra có thể tận dụng như phân bón cho cây trồng, đây được xem là một giải pháp đầy hứa hẹn mà công nghệ vật liệu nano có thể phát triển cho mục đích này. Các vật liệu nano hấp phụ chất ô nhiễm thường được phát triển từ oxit của các kim loại như Fe, Mn, Mg, Al…Trong đó các nano oxit sắt được nghiên cứu ứng dụng [5] vì có nhiều tính năng ưu việt trong xử lý môi trường như: xử lý nước thải chứa kim loại nặng, hóa chất bảo vệ thực vật, các hợp chất hữu cơ mà không phát sinh lượng bùn dư, có thể hoàn nguyên và tái sử dụng.
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 cao hơn. Ví dụ: nano oxit sắt gắn trên cacbon nanotube [6, 7], nano oxit sắt gắn trên tro trấu hoạt hóa [8], nano sắt-Mn [9], nano oxit sắt kết hợp với oxit khác [10].Tương tự vật liệu nano oxit magie đơn lẻ cũng có hiệu quả xử lý thấp [11], để tăng hiệu quả xử lý cần phải kết hợp với một số nano oxit khác, thêm vào đó magie là kim loại kiềm thổ có khả năng xúc tiến quá trình tạo liên kết Fe-O-OH dễ dàng hơn. Từ các vấn đề trên, đề tài nghiên cứu tài “Tổng hợp và đánh giá khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu nano oxit sắt- magie trên nền nhựa cation” có ý nghĩa rất lớn vừa giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, vừa có tính học thuật và phù hợp với xu thế thời đại khi công nghệ nano đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi. Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt – magie trên nền nhựa cation ứng dụng để loại bỏ ion nitrat trong dung dịch nước giả thải và nước thải sinh hoạt sau công đoạn xử lý sinh học.
Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: ion nitrat trong dung dịch nước giả thải và nước thải sinh hoạt đã qua xử lý sinh học, vật liệu nano oxit sắt- magie trên nền nhựa cation. Phạm vi nghiên cứu: đánh giá khả năng và đặc tính hấp phụ của vật liệu oxit sắt- magie trên nền nhựa cation đối với ion nitrat trong nước giả thải và nước thải sinh hoạt 2 sau hệ thống xử lý sinh học 1. Nội dung nghiên cứu − Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt – magie trên nền nhựa cation (Fe2O3-MgO/CER). − Xác định đặc trưng của vật liệu nano oxit sắt- magie trên nền nhựa cation như: phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FTIR), ảnh chụp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc ảnh chụp hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
− Xác định điều kiện phù hợp cho quá trình hấp phụ trong việc loại bỏ ion nitrat trong dung dịch của vật liệu nano oxit sắt- magie trên nền nhựa cation. • Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ; • Ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình hấp phụ; • Ảnh hưởng của nồng độ ion nitrat trong dung dịch ban đầu và nhiệt độ môi trường đến quá trình hấp phụ; • Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ đến quá trình hấp phụ; • Ảnh hưởng của tỷ lệ Fe: Mg đến quá trình hấp phụ; − Thử nghiệm khả năng hấp phụ kết hợp trao đổi ion của vật liệu nano oxit sắt- magie trên nền nhựa cation đối với ion nitrat trong nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học, ở các điều kiện thích hợp đã khảo sát tại phòng thí nghiệm. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 1. Ý nghĩa khoa học Nâng cao hiệu quả hấp phụ, cũng như khả năng loại bỏ ion nitrat của vật liệu oxit sắt- magie trên nền nhựa cation.
Ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa thực tiễn của đề tài này là đề xuất một loại vật liệu mới để loại bỏ nitrat trong môi trường. Tính mới của đề tài Tính mới của đề tài là đề xuất một giải pháp thiết kế vật liệu hiệu quả ứng dụng trong loại bỏ nitrat trong môi trường nước. 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Ô nhiễm do chất dinh dưỡng Nitrat được xem là một trong những chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh vật phát triển [12].
Tuy nhiên, khi sự hiện diện của chúng quá nhiều, vượt quá khả năng tự làm sạch sẽ gây ra ô nhiễm môi trường. Hầu như tất cả các muối nitrat đều tan tốt trong nước và phân li thành các ion trong môi trường nước. Trong môi trường nước tự nhiên, các hợp chất amoniac, hợp chất hữu cơ chứa nitơ, khí nitơ, nitrat và nitrit có nồng độ không đáng kể, tuy vậy chúng là nguồn nitơ cho phần lớn sinh vật trong đất và nước. Vi sinh vật sử dụng nguồn nitơ kể trên vào tổng hợp axit amin, protein, tế bào và chuyển hoá năng lượng.
Trong các quá trình đó, hợp chất nitơ thay đổi hoá trị và chuyển hoá thành các hợp chất hoá học khác. Nguồn gốc phát sinh nitrat Từ nước thải sinh hoạt Thành phần nitơ trong thức ăn của người và động vật nói chung chỉ được cơ thể hấp thu một phần, phần còn lại được thải ra dưới dạng chất rắn (phân) và các chất bài tiết khác (nước tiểu, mồ hôi) [13]. Nguồn nước thải từ sinh hoạt gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt, cá, nước từ bể phốt, từ khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng như thương mại, bến tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch, vui chơi, giải trí. Chúng thường được thu gom vào các kênh dẫn thải.
Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin, amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 5 – 16 gam nitơ dưới dạng protein và thải ra khoảng 30% trong số đó. Hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu lớn hơn trong phân khoảng 8 lần [14]. Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein và urin trong nước tiểu bị thủy phân rất nhanh tạo thành amoni/ammoniac.
Trong các bể phốt xảy ra quá trình phân hủy yếm khí các chất thải, quá trình phân hủy này làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ dạng cacbon nhưng tác dụng làm giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ 4 một phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật. Hàm lượng hợp chất nitơ trong nước thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân hủy yếm khí. Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do lượng oxy hòa tan và mật độ vi sinh tự dưỡng (vi sinh có khả năng oxy hóa amoni) thấp. Thành phần amoni chiếm 60 – 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải.
Nồng độ hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt biến động theo: lưu lượng nguồn nước thải, mức độ sử dụng nước của dân cư, mức độ tập trung các dịch vụ công cộng, thời tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt (thức ăn nguội, tự nấu nướng), thay đổi mạnh theo chu kỳ thời gian ngày tháng cũng như mức sống và tiện nghi cộng đồng. Lượng chất thải vì vậy thường được tính theo đầu người (khối lượng khô) hoặc nồng độ sau khi được pha loãng với mức nước sử dụng trên đầu người (ở các nước công nghiệp khoảng 190 lít/người/ngày) hoặc trong các cống rãnh thải (450 lít/người/ngày) [13]. Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng oxy hoá (nitrit và nitrat). Các hợp chất nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá.
Nitrat (NO3-) là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hoá trị cao nhất và có nguồn gốc chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm, hoá chất,. chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ.