LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm qua nền kinh tế nƣớc ta đã có những bƣớc phát triển đáng khích lệ, cơ cấu kinh tế chuyển đổi theo hƣớng công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, xã hội cũng làm nảy sinh nhiều vấn đề môi trƣờng nghiêm trọng. Môi trƣờng ở một số thành phố lớn, khu công nghiệp tập trung và các khu dân cƣ đang bị suy thoái, ô nhiễm. Tài nguyên thiên nhiên, đa dạng sinh học đang bị cạn kiệt, sự cố môi trƣờng có chiều hƣớng gia tăng, trong đó phải kể đến thực trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc.
Nƣớc là tài nguyên thiên nhiên quý giá, là yếu tố không thể thiếu đƣợc cho mọi hoạt động sống trên trái đất. Việt Nam tuy là xứ sở nhiệt đới nhƣng nguồn nƣớc sạch đang ngày càng cạt kiệt vì nhiều lý do khác nhau, trong đó có vấn đề nhiễm bẩn nguồn nƣớc bởi các dòng nƣớc thải của con ngƣời và các nhà máy. Điều đó đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu và đề xuất các biện pháp xử lý nƣớc thải có hiệu quả để đảm bảo sự phát triển bền vững của môi trƣờng. Các hoạt động công nghiệp nhƣ sản xuất xà phòng, kem đánh răng, bật lửa, công nghiệp dệt may, xử lý nƣớc và phân bón… đã thải vào nguồn nƣớc một lƣợng lớn các chất độc hại trong đó có photphat, ảnh hƣởng không nhỏ đến môi sinh và cuộc sống con ngƣời.
Do đó việc tìm ra các quy trình xử lý nhằm loại bỏ các chất độc hại nói chung và photphat nói riêng ra khỏi môi trƣờng nƣớc có ý nghĩa hết sức to lớn. Trong thời gian gần đây, một số công trình nghiên cứu với những phƣơng pháp khác nhau đã đƣợc thực hiện nhằm đƣa ra các quy trình tách loại photphat ra khỏi nguồn nƣớc bị ô nhiễm. Trong đó, phƣơng pháp sử dụng vật liệu hấp phụ đƣợc đánh giá cao về tính hiệu quả, đơn giản, chi phí thấp cũng nhƣ quy trình xử lý thân thiện với môi trƣờng. Chính vì vậy em đã tiến hành thực hiện đề tài “ Nghiên cứu khả năng hấp phụ photphat trong nước bằng vật liệu biến tính từ đá ong”.
1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1Photphat trong nƣớc 1. Nguồn phát thải photphat vào môi trường nước - Các hoạt động công nghiệp nhƣ sản xuất xà phòng, kem đánh răng, bật lửa, công nghiệp dệt may, xử lý nƣớc và phân bón… đã thải vào nguồn nƣớc một lƣợng lớn các chất độc hại trong đó có photphat, ảnh hƣởng không nhỏ đến môi sinh và cuộc sống con ngƣời. - Nguồn phát thải Photphat ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trong chế biến thực phẩm. Hợp chất photphat tìm thấy trong nƣớc thải hay đƣợc thải ra trực tiếp vào nguồn nƣớc mặt phát sinh từ các chất thải của ngƣời và động vật và sau này là lƣợng khổng lồ phân lân sử dụng trong nông nghiệp và các chất tẩy rửa tổng hợp có chứa photphat sử dụng trong sinh hoạt và một số ngành công nghiệp trôi theo dòng nƣớc.
Trong các loại nƣớc thải, Phospho hiện diện chủ yếu dƣới các dạng photphat. Các hợp chất Phosphat gồm Phosphat vô cơ và phosphat hữu cơ: + Thất thoát từ phân bón có trong đất + Chất thải từ ngƣời và động vật + Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch 2 Vòng tuần hoàn của photphat trong nước. Động vật Thực vật Phần còn lại của Phần còn lại động vật của thực vật Phosphate Các vi khuẩn tan trong đất Phosphate không tan Hình 1.1: Vòng tuần hoàn của photphat trong nƣớc Ở trong nƣớc, chu trình photpho sinh học cũng diễn ra tƣơng tự nhƣ ở trên cạn, nhƣng do quá trình suy giảm ánh sáng và tầng nƣớc mà quá trình sinh học hấp thụ dinh dƣỡng và tái tạo dinh dƣỡng diễn ra khác nhau theo độ sâu. Đặc điểm của photphat - Photphat là muối của axit photphoric: một muối trung hòa và hai muối axit.
H3PO4 có các cân bằng: H3PO4↔ H+ + H2PO4- k= 7,5. 10-13 - Tính chất vật lý: các muối đihiđrophotphat đều tan trong nƣớc, các muối hiddrophotphat và photphat trung hòa chỉ có muối K, Na, NH4+ dễ tan còn của các kim loại khác không tan hoặc ít tan trong nƣớc. - Tính chất hóa học: muối photphat tham gia các phản ứng thủy phân, các phản ứng trung hòa,. - Nồng độ photphat trong các nguồn nƣớc không ô nhiễm thƣờng nhỏ hơn 0,01 mg/L.
Nƣớc sông bị ô nhiễm do nƣớc thải đô thị, nƣớc thải công nghiệp hoặc nƣớc chảy tràn từ đồng ruộng chứa nhiều loại phân bón, có thể có nồng độ photphat đến 0,5 mg/L. Photphat không thuộc loại hóa chất độc hại đối với con 3 ngƣời, nhiều tiêu chuẩn chất lƣợng nƣớc không quy định nồng độ tối đa cho photphat. Vai trò, tác hại của photphat đối với môi trường và con người Vai trò: Trong môi trƣờng nƣớc, photphat tồn tại ở dạng: H2PO4-, HPO42-, PO43-, dạng polymetaphophat nhƣ (NaPO3)6 và photpho hữu cơ. Photpho là nguyên tố rất quan trọng đối với sinh vật.
Chúng có mặt trong thành phần ATP (Adenosin triphotphat), ADP (adenosine diphotphat), trong photpholipit, trong axit nucleic. Chính vì thế mà photphat rất cần thiết cho sinh vật. Tác hại: Trong môi trƣờng nƣớc, khi lƣợng photphat quá dƣ sẽ gây nên hiện tƣợng phú dƣỡng. Trong môi trƣờng tự nhiên, quá trình trao đổi, hoà tan photphat từ dạng kết tủa hoặc phức bền diễn ra từ từ, quá trình tiêu thụ photphat diễn ra cân bằng tạo sự phát triển ổn định cho hệ sinh vật.
Tuy nhiên khi lƣợng photphat quá dƣ do nƣớc thải mang đến gây hiện tƣợng phú dƣỡng ở các lƣu vực. Phú dƣỡng là hiện tƣợng phát triển ồ ạt, mạnh mẽ của các loài sinh vật thuỷ sinh nhƣ rong, bèo, tảo…Sự phát triển quá mạnh mẽ sẽ gây nên sự thay đổi hệ sinh thái và điều kiện môi trƣờng. Đối với con ngƣời, nhiều nghiên cứu cho thấy sự hấp thụ nhiều photphat vô cơ có thể kích thích các khối u ác tính ở phổi, việc loại bỏ các thực phẩm chứa photphat nhân tạo sẽ có thể là yếu tố then chốt trong điều trị ung thƣ phổi cũng nhƣ ngăn ngừa căn bệnh này. Trong khi đó, photphat ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trong chế biến thực phẩm với vai trò làm tăng lƣợng canxi và sắt, cũng nhƣ giữ nƣớc, giúp thực phẩm không bị khô.
Ngoài ra, Photphat hữu cơ (organiphosphat) tồn tại ở các chất parathion, diazinon và malathion đều là những chất gây ức chế các cholinesteraza (đặc biệt là acetycholinesterase). Các cholinesrerase là những enzyme chịu trách nhiệm cho sự tạo thành chất truyền dẫn thần kinh acetucholine. Không tạo đƣợc acetycholine để đƣa vào các khớp thần kinh CNS và vào các khớp nối thần khinh cơ (myoneural junction) sẽ dẫn 4 đến kết quả là lặp lại liên tục sự truyền và có thể dấn đễn sự tê liệt. Ở ngƣời, sự hấp thụ xảy ra qua đƣờng da, hệ hô hấp hay hệ tiêu hóa.
Khi phân bố, các photphat hữu cơ đi qua hàng rào máu-não (blood-brain barire) để gây sự nhiễm độc CNS. Độc chất sẽ trải qua các chuyển hóa sinh học pha I và pha II ở gan sau đó đào thải. Vì là những chất độc thần kinh, các photphat hữu cơ gây ảnh hƣởng đến phần lớn các cơ quan. Đó là đƣờng ruột, dạ dày (buồn nôn, nôn mửa), hệ hô hấp (tiết nhiều dịch ở phế nang), hệ thống tim mạch (giảm\tăng nhịp tim hoặc huyết áp), cơ vân (yếu lả, tê liệt) và CNS (rối loạn tâm thần, mệt mỏi).
Biện pháp xử lí photphat trong nước 1. Phương pháp sinh học loại bỏ photphat Photphat có trong bể chứa nhiều hơn so với nhu cầu binh thƣờng trong bùn hoạt tính. Đó là do lƣợng bùn bị tuần hoàn giữa môi trƣờng kị khí và hiếu khí. Hiệu quả loại trừ bằng phƣơng pháp sinh học phụ thuộc vào lƣợng hữu cơ dễ bị phân hủy (BOD5).
Tỉ lệ P/BOD5 là nhỏ hơn 0.03 và N/BOD5 là nhỏ hơn 0.25 trong dòng vào bể sục khí nơi lƣợng photpho bị phân hủy gia tăng. Phương pháp hóa học loại bỏ photphat bằng kết tủa Kết tủa photphat (đơn và một phần loại trùng ngƣng) với các ion nhôm, sắt, canxi tạo ra các muối tƣơng ứng có độ tan thấp và tách chúng ra dƣới dạng chất rắn. Đặc trƣng quan trọng nhất của một quá trình kết tủa là tích số tan. Tích số tan của một chất càng nhỏ thì hiệu quả của phƣơng pháp càng cao.
Giá trị tích số tan của một số hợp chất liên quan trong quá trình xử lý photphat bằng phƣơng pháp kết tủa với muối, nhôm, sắt, và canxi (vôi) đã đƣợc thể hiện trong bảng 1.1: Tích số tan của một số hợp chất photphat ở 25oC Hệ T (tích số tan) 3+ 3- FePO4.2H2O ↔Fe + PO4 + 2H2O 10-23 AlPO4.2H2O ↔ Al3+ + PO43- + 2H2O 10-21 CaHPO4↔Ca2+ + HPO42- 10-6,6 Ca4H(PO4)3↔ 4Ca2+ + 3PO43- + H+ 10-46,9 Ca10(PO4)6(OH)2↔10Ca2+ + 6PO43- + 2OH- 10-114 (hydroxylapatit) Ca10(PO4)6F2↔10Ca2+ + 6PO43- + 2F- (apatit) 10-118 CaHAl(PO4)2↔Ca2+ + Al3+ + H+ + 2PO43- 10-39 CaCO3↔Ca2+ + CO32- 10-8,3 CaF2↔ Ca2+ + 2F- 10-10,4 MgNH4PO4↔ Mg2+ + NH4+ + PO43- (struvit) 10-12,6 Fe(OH)3↔ Fe3+ + 3OH- 10-36 Al(OH)3↔ Al3+ + 3OH- 10-32 Cả 3 loại ion (Ca2+, Al3+, Fe3+) đều tạo ra các hợp chất photphat có độ tan rất thấp, đặc biệt là hydroxylappatit và apatit. Phản ứng này tạo thành ở vùng pH cao nên nhiều loại hợp chất của canxi với photphat có chứa thêm nhóm OH. Hydroxit sắt, nhôm tan trở lại vào nƣớc dƣới dạng ferrat hoặc aluminat [(Fe(OH)4-, Al(OH)4-)] ở vùng pH cao (> 8,5), ở vùng thấp hơn chúng tồn tại ở dạng kết tủa, keo tụ, hấp phụ có vai trò quan trọng hơn trong hệ sử dụng muối sắt, muối nhôm khi kết tủa so với sử dụng vôi. 2+ / Nghiên cứu khả năng tách loại photphat của hỗn hợp Fe H2O2 của Chanjuan 2+ Li, JunMa, Jimin Shen, Peng Wang [9] đã chỉ ra sử dụng hỗn hợp Fe /H2O2đạt 2+ hiệu quả tách loại photphat lớn hơn so với sử dụng một mình Fe.
Nồng độ photphat ban đầu là 0,97 – 3,75 mg/l, hiệu quả tách loại 50 – 60% khi tỉ lệ mol 2+ Fe /H2O2là 1/1. Phương pháp hấp phụ và trao đổi ion Mặc dù các phƣơng pháp kết tủa và sinh học có thể xử lí photphat một cách hiệu quả tới giới hạn có thể chấp nhận đƣợc, nhƣng phƣơng pháp hấp phụ 6 và trao đổi ion là những phƣơng pháp xử lý photphat rất có triển vọng, do khả năng ứng dụng thực tế cao và xử lí đƣợc ô nhiễm photphat ở nơi có nồng độ thấp. Bản chất của chất hấp phụ photphat dựa trên khoáng chất, đặc biệt là các khoáng chất có chƣa oxit sắt, nhôm, silic.