Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm nước sinh hoạt tại Việt Nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu tổng hợp một số oxit hỗn hợp kích thước nanomet hệ đất hiếmmangan và khảo sát khả năng, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Khoa Học Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Vật Liệu Nano Trong Xử Lý Ô Nhiễm Nước Sinh Hoạt Tại Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tổng quan tình hình ô nhiễm asen, sắt, mangan, amoni trong nước ngầm ở Việt Nam
• 1.1.1. Ô nhiễm asen trong nước ngầm
• 1.1.1.1. Nguồn gây ô nhiễm asen
• 1.1.1.2. Các dạng tồn tại của asen trong nước
• 1.1.1.3. Ảnh hưởng của asen đối với sức khoẻ của con người
• 1.1.2. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm
• 1.1.3. Ô nhiễm sắt, mangan trong nước ngầm
• 1.2. Các giải pháp xử lý nước ngầm ô nhiễm amoni, asen, sắt và mangan
• 1.2.1. Phương pháp oxi hoá-kết tủa
• 1.2.2. Phương pháp trao đổi ion
• 1.2.3. Phương pháp vi sinh
• 1.2.4. Phương pháp hấp phụ
• 1.2.4.1. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ
• 1.2.4.2. Phương trình động học hấp phụ

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm nước

Vật liệu nano đang trở thành một trong những giải pháp tiềm năng trong việc xử lý ô nhiễm nước sinh hoạt tại Việt Nam. Với khả năng hấp phụ vượt trội, vật liệu nano có thể loại bỏ các chất độc hại như asen, amoni, sắt và mangan trong nước ngầm. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng công nghệ nano không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn tiết kiệm chi phí và thời gian xử lý. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này tại Việt Nam vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết.

1.1. Tình hình ô nhiễm nước sinh hoạt tại Việt Nam

Ô nhiễm nước sinh hoạt tại Việt Nam đang ở mức báo động, đặc biệt là ở các khu vực đô thị. Nguồn nước ngầm bị ô nhiễm bởi các chất độc hại như kim loại nặng và hợp chất hữu cơ. Theo thống kê, chỉ có 60% dân số được tiếp cận với nước sạch hợp vệ sinh, điều này đặt ra yêu cầu cấp bách về việc xử lý ô nhiễm nước.

1.2. Lợi ích của vật liệu nano trong xử lý nước

Sử dụng vật liệu nano trong xử lý nước mang lại nhiều lợi ích như khả năng hấp phụ cao, thời gian xử lý ngắn và chi phí thấp. Các nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu nano có thể loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm, giúp cải thiện chất lượng nước sinh hoạt cho người dân.

II. Thách thức trong việc ứng dụng công nghệ nano tại Việt Nam

Mặc dù công nghệ nano có nhiều tiềm năng, nhưng việc ứng dụng tại Việt Nam vẫn gặp nhiều khó khăn. Thiếu hụt về kiến thức và công nghệ, cũng như nguồn lực tài chính là những rào cản lớn. Hơn nữa, việc thiếu các quy định và tiêu chuẩn rõ ràng về xử lý ô nhiễm nước cũng làm giảm hiệu quả của các dự án ứng dụng công nghệ này.

2.1. Thiếu hụt về kiến thức và công nghệ

Nhiều nhà khoa học và kỹ sư tại Việt Nam chưa được đào tạo đầy đủ về vật liệu nano. Điều này dẫn đến việc ứng dụng công nghệ không hiệu quả và thiếu tính bền vững. Cần có các chương trình đào tạo và nghiên cứu để nâng cao năng lực cho đội ngũ chuyên gia.

2.2. Rào cản về tài chính và đầu tư

Việc đầu tư vào công nghệ nano đòi hỏi nguồn vốn lớn, trong khi ngân sách cho nghiên cứu và phát triển tại Việt Nam còn hạn chế. Các doanh nghiệp và tổ chức cần có sự hỗ trợ từ chính phủ để thúc đẩy ứng dụng công nghệ này.

III. Phương pháp xử lý ô nhiễm nước bằng vật liệu nano

Có nhiều phương pháp xử lý ô nhiễm nước bằng vật liệu nano, trong đó phương pháp hấp phụ được coi là hiệu quả nhất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu nano oxit kim loại có khả năng hấp phụ cao đối với các chất ô nhiễm như asen và amoni. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn tiết kiệm chi phí và thời gian xử lý.

3.1. Phương pháp hấp phụ với vật liệu nano

Phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu nano để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước. Các nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu nano có khả năng hấp phụ cao, giúp loại bỏ hiệu quả asen và amoni trong nước sinh hoạt.

3.2. Các nghiên cứu điển hình về ứng dụng vật liệu nano

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu nano đối với các chất ô nhiễm. Các kết quả cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu nano oxit kim loại có thể giảm nồng độ asen trong nước xuống dưới mức cho phép.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm nước đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Việc ứng dụng các vật liệu này trong thực tiễn đã giúp cải thiện chất lượng nước sinh hoạt tại nhiều khu vực. Các dự án thí điểm đã chứng minh hiệu quả của công nghệ này trong việc loại bỏ các chất độc hại.

4.1. Các dự án thí điểm thành công

Nhiều dự án thí điểm đã được triển khai tại Việt Nam, cho thấy hiệu quả của vật liệu nano trong xử lý nước. Các kết quả cho thấy rằng nồng độ asen và amoni trong nước đã giảm đáng kể sau khi áp dụng công nghệ này.

4.2. Đánh giá hiệu quả ứng dụng thực tiễn

Đánh giá hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ nano cho thấy rằng chất lượng nước sinh hoạt đã được cải thiện rõ rệt. Người dân tại các khu vực áp dụng công nghệ này đã có nước sạch hơn và an toàn hơn cho sức khỏe.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của công nghệ nano

Công nghệ nano hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích trong việc xử lý ô nhiễm nước tại Việt Nam. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả cao, cần có sự đầu tư và hỗ trợ từ chính phủ cũng như các tổ chức quốc tế. Việc nâng cao nhận thức và kiến thức về vật liệu nano cũng là điều cần thiết để thúc đẩy ứng dụng công nghệ này trong tương lai.

5.1. Tầm quan trọng của công nghệ nano trong xử lý nước

Công nghệ nano có thể giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm nước sinh hoạt tại Việt Nam. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ cải thiện chất lượng nước mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

5.2. Hướng đi tương lai cho nghiên cứu và ứng dụng

Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano cần được đẩy mạnh trong tương lai. Cần có các chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư vào lĩnh vực này để phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Ô nhiễm môi trường nước ngầm và nước sinh hoạt đang là thách thức nghiêm trọng tại Việt Nam trong bối cảnh công nghiệp hóa, đô thị hóa gia tăng nhưng các nguồn chất thải chưa được xử lý triệt để. Nguồn nước ngầm tại nhiều địa phương như Hà Nội, Hà Nam, Hưng Yên, Vĩnh Phúc, Nghệ An, Hà Tĩnh và khu vực Đồng bằng sông Cửu Long ghi nhận sự hiện diện của các tác nhân độc hại gồm asen, amoni cùng hàm lượng sắt và mangan vượt ngưỡng cho phép. Các chất ô nhiễm này gây suy giảm chức năng gan, thận, hệ tiêu hóa, tiết niệu và tiềm ẩn nguy cơ ung thư. Phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu kích thước nanomet được đánh giá là hướng tiếp cận khả thi nhờ khả năng phân tách chọn lọc và diện tích bề mặt tiếp xúc lớn. Mặc dù các oxit kim loại đơn lẻ đã được nghiên cứu, các công trình khảo sát hệ thống về oxit hỗn hợp hệ đất hiếm - mangan dùng để hấp phụ đồng thời asen, amoni, sắt và mangan trong môi trường nước vẫn còn hạn chế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể:

1. Tổng hợp các oxit nano hỗn hợp thuộc hệ đất hiếm - mangan bao gồm vật liệu compozit $\text{CeO}_2\text{-MnO}_x$ và các cấu trúc perovskit $\text{LaMnO}_3$, $\text{NdMnO}_3$, $\text{PrMnO}_3$ bằng phương pháp đốt cháy gel polyvinyl ancol (PVA).
2. Khảo sát đặc trưng hóa lý, cấu trúc pha tinh thể, hình thái học và diện tích bề mặt riêng của các vật liệu được chế tạo ở điều kiện tối ưu.
3. Khảo sát khả năng và các quy luật hấp phụ đối với amoni, asen, sắt và mangan trong môi trường nước sinh hoạt trên các vật liệu nano tự do và vật liệu nano tẩm trên các chất mang.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bốn hệ vật liệu oxit nano đất hiếm - mangan ($\text{CeO}_2\text{-MnO}_x$, $\text{LaMnO}_3$, $\text{NdMnO}_3$, $\text{PrMnO}_3$), các dạng vật liệu phân tán trên chất mang (cát thạch anh, bentonit, silicagel, than hoạt tính) và các tác nhân ô nhiễm trong nước ($\text{As(III)}$, $\text{As(V)}$, $\text{NH}_4^+$, $\text{Fe}$, $\text{Mn}$). Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào quá trình tổng hợp hóa học, phân tích đặc tính cấu trúc tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành ở Hà Nội và khảo sát thực nghiệm xử lý nước ngầm ô nhiễm theo các chỉ tiêu quy chuẩn vệ sinh nước ăn uống của Bộ Y tế Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tình hình ô nhiễm nước ngầm tại Việt Nam cho thấy mức độ ô nhiễm kim loại nặng và hợp chất nitơ rất phức tạp. Tiêu chuẩn QĐ 1329/2002/BYT quy định giới hạn tối đa cho phép trong nước ăn uống lần lượt là: asen $\le 0{,}01\text{ mg/l}$, amoni $\le 1{,}5\text{ mg/l}$, sắt $\le 0{,}5\text{ mg/l}$ và mangan $\le 0{,}5\text{ mg/l}$. Các công trình khảo sát thực địa đã chỉ ra nhiều khu vực vượt quá các ngưỡng này:

• Phạm Hùng Việt và cộng sự công bố hàm lượng asen trong nước ngầm Đồng bằng sông Hồng dao động từ 1 đến $3050\ \mu\text{g/l}$ (trung bình $159\ \mu\text{g/l}$), trong đó nhiều mẫu nước ngầm tại Hà Nội vượt $550\ \mu\text{g/l}$ với dạng tồn tại chủ yếu là $\text{As(III)}$.
• Tetsuro Agusa và cộng sự (2001) khảo sát nước ngầm tại huyện Gia Lâm và Thanh Trì (Hà Nội), ghi nhận hàm lượng asen từ 0,1 đến $330\ \mu\text{g/l}$, có 40% số mẫu vượt tiêu chuẩn $10\ \mu\text{g/l}$ của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO).
• Nguyễn Vân Anh và cộng sự nghiên cứu tại tỉnh Hà Nam ghi nhận nồng độ asen trung bình tại ba làng Vĩnh Trù, Bồ Đề, Hòa Hậu lần lượt là 348, 211 và $325\ \mu\text{g/l}$.
• Hoàng Thị Hạnh và cộng sự (2007–2008) thống kê hàm lượng asen trong mẫu nước ngầm tại các tỉnh Đồng bằng sông Mê Kông theo bảng số liệu thực nghiệm:

Địa điểm nghiên cứu	Số lượng mẫu	Phần trăm mẫu vượt ngưỡng $10\ \mu\text{g/l}$ (%)	Giá trị trung bình ($\mu\text{g/l}$)
An Giang	107	43	110
Đồng Tháp	86	38	57
Kiên Giang	123	2,4	1,74
Long An	89	12	4,4

Về các công nghệ xử lý nước ngầm, các nghiên cứu trước đây đã áp dụng bốn nhóm kỹ thuật chính:

1. Oxi hóa - kết tủa: Cao Thế Hà và cộng sự sử dụng các chất oxi hóa ($\text{KMnO}_4$, $\text{Cl}_2$, $\text{H}_2\text{O}_2$) kết hợp hấp phụ trên $\text{FeOOH}$; Phan Đỗ Hùng và cộng sự dùng $\text{H}_2\text{O}_2$ trong phản ứng oxi hóa - cộng kết tủa đạt hiệu suất tách asen 97%; Van Halem và cộng sự triển khai thiết bị xử lý asen tại Bangladesh; Singh áp dụng oxi hóa bằng clo, pemanganat, ozon kết hợp keo tụ phèn nhôm (loại bỏ $>90%\ \text{As(V)}$) hoặc muối $\text{FeCl}_3$ (loại bỏ $95%\ \text{As(V)}$).
2. Trao đổi ion: Sử dụng zeolit tự nhiên như clinoptilolit và chabazit với dung lượng trao đổi từ 14 đến 32 g amoni/kg khoáng chất.
3. Phương pháp vi sinh: Khai thác vi khuẩn tự dưỡng hóa năng để nitrat hóa amoni qua 2 pha: pha 1 chuyển hóa thành nitrit nhờ Nitrosomonas, Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus; pha 2 chuyển hóa nitrit thành nitrat nhờ Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus.
4. Phương pháp hấp phụ: Tổng hợp các vật liệu oxit kim loại để giữ lại ion ô nhiễm.

STT	Tên vật liệu hấp phụ	Dạng asen xử lý	Tài liệu tham khảo
1	Hỗn hợp oxit hệ Fe-Ce	$\text{As(V)}$	[20]
2	Quặng sắt - mangan	$\text{As(III)}$, $\text{As(V)}$	[21]
3	Oxit MgO nanoflakes	$\text{As(III)}$	[22]
4	Hỗn hợp oxit hệ Fe-Zr	$\text{As(III)}$, $\text{As(V)}$	[23]
5	Oxit nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$, $\text{Mn}_3\text{O}_4$, $\text{MnFe}_2\text{O}_4$	$\text{As(III)}$, $\text{As(V)}$	[24]
6	Hỗn hợp oxit hệ Fe-Mn	$\text{As(III)}$, $\text{As(V)}$	[24]
7	$\alpha\text{-MnO}_2$, $\delta\text{-MnO}_2$	$\text{As(V)}$	[26]

Các nghiên cứu về hệ $\text{CeO}_2\text{-MnO}_x$ (Dimitrios và cộng sự [51], Wenjuan Shan và cộng sự [53], Xiaodong Wu và cộng sự [54, 55], Eigenmann và cộng sự [56]) và hệ perovskit $\text{LaMnO}_3$, $\text{NdMnO}_3$, $\text{PrMnO}_3$ (Kazuyoshi và cộng sự [24], Zhi Xian Wei và cộng sự [83], Gongshin Qi và Wei Li [30], Huỳnh Đăng Chính [78], Sujoy Saha và cộng sự [92], Rui Ran và cộng sự [98], Xiqiang Huang và cộng sự [103]) chủ yếu tập trung vào hoạt tính xúc tác xử lý khí thải ($\text{CO}$, $\text{NO}_x$, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi) hoặc tính chất điện từ. Nghiên cứu của Kaushik Gupta và cộng sự [52] mới bước đầu khảo sát hấp phụ $\text{As(V)}$ trên $\text{Ce-Mn}$ điều chế bằng đồng kết tủa.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là: chưa có công trình nào tổng hợp hệ oxit hỗn hợp $\text{CeO}_2\text{-MnO}_x$ và các perovskit $\text{LaMnO}_3$, $\text{NdMnO}_3$, $\text{PrMnO}_3$ kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel PVA, đồng thời chưa có nghiên cứu khảo sát khả năng hấp phụ amoni và asen trong môi trường nước sinh hoạt trên các hệ vật liệu này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án vận dụng các lý thuyết hóa lý về bề mặt, nhiệt động học và động học hấp phụ:

• Cân bằng và dung lượng hấp phụ: Quá trình hấp phụ tĩnh được mô tả qua dung lượng hấp phụ cân bằng $q$ tính theo công thức: $$q = \frac{(C_i - C_f) \cdot V}{m}$$ Trong đó: $C_i$ và $C_f$ là nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ ($\text{mg/l}$); $V$ là thể tích dung dịch ($\text{l}$); $m$ là khối lượng chất hấp phụ ($\text{g}$). Khi biểu diễn theo diện tích bề mặt riêng $s$ ($\text{cm}^2$), dung lượng được chuẩn hóa trên một đơn vị diện tích.
• Phương trình động học biểu kiến:
  • Động học bậc một biểu kiến Lagergren dạng tích phân: $\ln(q_e - q_t) = \ln q_e - k_1 t$.
  • Động học bậc hai biểu kiến dạng tích phân: $\frac{t}{q_t} = \frac{1}{k_2 q_e^2} + \frac{t}{q_e}$, với $k_1$ ($\text{phút}^{-1}$) và $k_2$ ($\text{g}\cdot\text{mg}^{-1}\cdot\text{phút}^{-1}$) là các hằng số tốc độ biểu kiến.
• Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir: Mô tả quá trình hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất năng lượng: $$q = \frac{q_{\max} \cdot b \cdot C_f}{1 + b \cdot C_f}$$ Dạng tuyến tính: $\frac{C_f}{q} = \frac{1}{b \cdot q_{\max}} + \frac{C_f}{q_{\max}}$, cho phép xác định dung lượng hấp phụ cực đại $q_{\max}$ và hằng số liên kết $b$.
• Cơ chế điểm điện tích không ($\text{pH}_{\text{PZC}}$): Trạng thái tích điện của bề mặt oxit kim loại phụ thuộc vào cân bằng nhận hoặc nhường proton của nhóm chức bề mặt: $$\text{M-OH} + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{M-OH}2^+ \quad (\text{khi pH} < \text{pH}{\text{PZC}},\ \text{bề mặt tích điện dương, ưu tiên hấp phụ anion})$$ $$\text{M-OH} + \text{OH}^- \rightleftharpoons \text{MO}^- + \text{H}2\text{O} \quad (\text{khi pH} > \text{pH}{\text{PZC}},\ \text{bề mặt tích điện âm, ưu tiên hấp phụ cation})$$ Giá trị $\text{pH}_{\text{PZC}}$ được xác định bằng phương pháp chuẩn độ dịch chuyển pH trong dung dịch $\text{KCl}\ 0{,}1\text{ M}$ tại $25^\circ\text{C}$ với dải pH ban đầu từ 2 đến 12.

Phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu sử dụng kỹ thuật đốt cháy gel polyme: tiền chất muối nitrat kim loại ($\text{La}^{3+}$, $\text{Ce}^{4+}$, $\text{Pr}^{3+}$, $\text{Nd}^{3+}$, $\text{Mn}^{2+}$) được phối trộn với polyvinyl ancol ($M = 98000$, độ thủy phân 99%) theo tỷ lệ mol xác định, chỉnh pH bằng $\text{NH}_4\text{OH}$ hoặc $\text{CH}_3\text{COOH}$, khuấy gia nhiệt ở $80^\circ\text{C}$ tạo gel nhớt trong suốt, sấy khô ở $100^\circ\text{C}$ và nung thiêu kết tạo pha tinh thể. Đối với vật liệu tẩm chất mang, gel nhớt được phân tán cơ học lên cát thạch anh, bentonit, silicagel hoặc than hoạt tính trước khi sấy và nung.

Hệ thống thiết bị và phương pháp phân tích đặc trưng hóa lý bao gồm:

• Phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lượng (DTA-TGA) trên thiết bị Setaram (Pháp) trong môi trường khí Argon từ nhiệt độ phòng đến $800^\circ\text{C}$.
• Nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Siemens D5000 (Bruker, Đức), xác định kích thước tinh thể trung bình $r$ theo công thức Scherrer: $r = \frac{K \cdot \lambda}{B_{\text{size}} \cdot \cos\theta_B}$ (với $K \approx 0{,}9$, bước sóng $\lambda$ của anot Cu).
• Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) trên thiết bị Hitachi S-4800 (Nhật Bản) xác định hình thái học và kích thước hạt.
• Đo diện tích bề mặt riêng BET bằng phương pháp hấp phụ $\text{N}_2$ tĩnh ở $77\text{ K}$ trên thiết bị Autochem II 2920.
• Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) ép viên KBr trên máy Impact 410-Nicolet (Mỹ) trong vùng $400\text{--}4000\text{ cm}^{-1}$ dựa trên định luật Lambert-Beer.
• Phân tích hóa học và quang phổ định lượng: Chuẩn độ vi lượng $\text{Ce(III)}$ bằng dung dịch chuẩn DTPA (chỉ thị Arsenazo III); định lượng $\text{NH}_4^+$ bằng phương pháp so màu indophenol ở bước sóng $640\text{ nm}$ trên máy UV-VIS Jazco V530; xác định asen bằng phương pháp hóa hơi hydrua nguyên tử lạnh ($\text{NaBH}_4$) trên máy hấp thụ nguyên tử AAS Perkin Elmer AAnalyst 200 tại bước sóng $193{,}7\text{ nm}$; định lượng sắt và mangan trên máy AAS ở bước sóng tương ứng $248{,}3\text{ nm}$ và $279{,}5\text{ nm}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này tổng thuật chi tiết cơ sở lý luận về ô nhiễm nước ngầm, độc tính học của các kim loại nặng và hợp chất nitơ, cùng 4 nhóm phương pháp công nghệ xử lý nước hiện hành. Tác giả tổng kết các phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu oxit nano điển hình, làm rõ ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp:

Phương pháp tổng hợp	Tiền chất / Tác nhân	Nhiệt độ xử lý	Kích thước hạt (nm)	Diện tích bề mặt ($m^2/g$)	Tài liệu trích dẫn
Đồng kết tủa	$\text{TEOS}$, $\text{Ca(NO}_3)_2$, $(\text{NH}_4)_2\text{HPO}_4$	$900\text{--}1100^\circ\text{C}$	$30\text{--}100$	-	[27]
Đồng kết tủa	$\text{FeCl}_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$, $\text{CoFe}_2\text{O}_4/\text{SiO}_2$	$300^\circ\text{C}$ (2h)	$18\text{--}39$	-	[30]
Sol-gel	$\text{SnCl}_2\cdot 2\text{H}_2\text{O}$ / Polyetylene glycol	$450^\circ\text{C}$	$23\text{--}31$	-	[33]
Sol-gel	$\text{La(NO}_3)_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ / $\text{MgO}$, $\text{NH}_4\text{OH}$	$500^\circ\text{C}$	$9{,}5\text{--}10{,}5$	243,2	[38]
Đốt cháy gel polime	$\text{TiCl}_3$, $\text{Ce(NO}_3)_3$	$550^\circ\text{C}$ (2h)	$<30$	-	[39]
Đốt cháy gel polime	$\text{Fe(NO}_3)_3$ / Glyxin	$500^\circ\text{C}$	$30\text{--}40$	-	[40]
Đốt cháy gel polime	$\text{Al(NO}_3)_3$ / Polyvinyl ancol	$850^\circ\text{C}$ (1h)	17,6	122,7	[41]
Thủy nhiệt	Tiền chất oxit sắt ($\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$, $\text{Fe}_3\text{O}_4$)	$>100^\circ\text{C}$, $>1\text{ atm}$	50	-	[47]
Thủy nhiệt	Tiền chất xeri ($\text{CeO}_2$)	$>100^\circ\text{C}$, $>1\text{ atm}$	$20\text{--}200$	-	[47]
Mixen đảo	$\text{ZnS}$ / Chất hoạt động bề mặt AOT	Nhiệt độ phòng	$1\text{--}100$	-	[48]
Mixen đảo	$\text{Ag}$ / Chất hoạt động bề mặt AOT	Nhiệt độ phòng	$2\text{--}5$	-	[49]
Mixen đảo	$\text{TiO}_2$ / Chất hoạt động bề mặt AOT	Nhiệt độ phòng	$10\text{--}20$	-	[50]

Nội dung chương khẳng định phương pháp đốt cháy gel polyme sử dụng PVA có ưu thế nổi bật nhờ phản ứng oxi hóa khử nội phân tử tỏa nhiệt mạnh, cho phép tổng hợp oxit phức hợp ở nhiệt độ nung vừa phải, thiết bị đơn giản và sản phẩm có độ phân tán nano đồng đều.

Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm điều chế vật liệu và các phương pháp kiểm tra cấu trúc. Tác giả xây dựng sơ đồ công nghệ tổng hợp gồm các công đoạn: hòa tan PVA, phối trộn dung dịch muối nitrat theo tỷ lệ hợp thức (tỷ lệ mol $\text{Ln(III)}/\text{Mn(II)} = 1:1$ đối với hệ perovskit; tỷ lệ mol $\text{Ce(IV)}/\text{Mn(II)} = 1/4, 3/2, 1/1, 2/3, 4/1$ đối với hệ oxit hỗn hợp), điều chỉnh pH tạo phức gel, cô đặc đẳng nhiệt ở $80^\circ\text{C}$ tạo khối gel nhớt, sấy phồng ở $100^\circ\text{C}$ và thiêu kết nhiệt. Quy trình chế tạo trên chất mang được chuẩn hóa với công đoạn phân tán gel nhớt lên cát thạch anh, bentonit, silicagel hoặc than hoạt tính bằng máy khuấy cơ học trước khi xử lý nhiệt. Phương pháp khảo sát hấp phụ tĩnh và quy trình định lượng kim loại bằng AAS, so màu indophenol và chuẩn độ DTPA được chuẩn hóa nghiêm ngặt.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm khảo sát điều kiện tối ưu để tổng hợp các pha tinh thể oxit nano:

1. Khảo sát chế tạo vật liệu nano perovskit $\text{PrMnO}_3$:

   • Phân tích nhiệt TGA-DTA: Gel $(\text{Mn(II)} + \text{Pr(III)})\text{-PVA}$ ghi nhận hiện tượng giảm $81{,}14%$ khối lượng kéo dài đến $550^\circ\text{C}$, đi kèm hiệu ứng thu nhiệt tại $142^\circ\text{C}$ do thoát nước, phân hủy gốc $\text{NO}_3^-$ và khung cacbon. Đỉnh tỏa nhiệt mạnh xuất hiện tại $240^\circ\text{C}$ đánh dấu quá trình hình thành pha tinh thể perovskit. Trên $550^\circ\text{C}$, khối lượng mẫu không đổi.
   • Ảnh hưởng của nhiệt độ nung: Giản đồ XRD của mẫu nung ở $550^\circ\text{C}$ và $650^\circ\text{C}$ vẫn còn lẫn pha tạp $\text{Pr}_2\text{O}_2\text{CO}_3$ (praseodym oxit cacbonat). Nung ở $750^\circ\text{C}$ trong 2 giờ thu được $\text{PrMnO}_3$ đơn pha hoàn toàn.
   • Ảnh hưởng của pH tạo gel: Khảo sát dải pH từ 2 đến 5 cho thấy tại pH 4 mẫu đạt độ kết tinh cao nhất với các pic nhiễu xạ sắc nét.
   • Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel: Khảo sát từ $40^\circ\text{C}$ đến $100^\circ\text{C}$ xác định $80^\circ\text{C}$ là nhiệt độ tối ưu giúp ion kim loại khuếch tán đồng đều mà không làm bay hơi nước quá nhanh.
   • Ảnh hưởng của tỷ lệ mol kim loại/PVA: Khảo sát các tỷ lệ 6/1, 3/1, 1/1, 1/3, 1/6. Tỷ lệ 1/3 cho pha tinh thể $\text{PrMnO}_3$ đơn pha và sắc nét nhất (các tỷ lệ khác xuất hiện pha tạp $\text{Pr}6\text{O}{11}$; tỷ lệ 1/6 làm giảm độ kết tinh do nồng độ polyme cản trở tương tác ion).
   • Đặc trưng mẫu tối ưu: $\text{PrMnO}_3$ chế tạo tại điều kiện tối ưu có kích thước hạt tinh thể trung bình tính theo Scherrer là $32{,}2\text{ nm}$, diện tích bề mặt riêng BET đạt $20{,}5\text{ m}^2/\text{g}$, ảnh SEM phóng đại 100.000 lần thể hiện cấu trúc xốp đồng nhất.

2. Khảo sát chế tạo vật liệu nano perovskit $\text{NdMnO}_3$:

   • Phân tích nhiệt TGA-DTA: Mẫu gel $(\text{Nd(III)} + \text{Mn(II)})\text{-PVA}$ có mức giảm khối lượng $93{,}97%$ tại hiệu ứng thu nhiệt $149^\circ\text{C}$. Trên $600^\circ\text{C}$, khối lượng mẫu đi vào ổn định.
   • Ảnh hưởng của nhiệt độ nung: Khảo sát tại 650, 750, 800 và $850^\circ\text{C}$. Mẫu nung $750^\circ\text{C}$ vẫn còn pha tạp $\text{Nd}_2\text{O}_2\text{CO}_3$, $\text{Mn}_2\text{O}_3$ và $\text{Mn}_3\text{O}_4$. Nhiệt độ nung $800^\circ\text{C}$ và $850^\circ\text{C}$ cho sản phẩm $\text{NdMnO}_3$ đơn pha; $800^\circ\text{C}$ được lựa chọn làm nhiệt độ tối ưu.
   • Ảnh hưởng của pH tạo gel: Tại các giá trị pH = 2, 3, 5 mẫu còn lẫn pha $\text{Mn}_2\text{O}_3$ và $\text{Mn}_3\text{O}_4$. Môi trường pH 4 cho sản phẩm đơn pha tinh khiết.
   • Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel và tỷ lệ PVA: Nhiệt độ tạo gel $80^\circ\text{C}$ và tỷ lệ mol kim loại/PVA = 1/3 được xác định là thông số tối ưu để thu nhận tinh thể $\text{NdMnO}_3$.

Vật liệu perovskit	Nhiệt độ tạo gel ($^\circ\text{C}$)	Môi trường pH	Tỷ lệ mol KL/PVA	Nhiệt độ nung ($^\circ\text{C}$)	Kích thước tinh thể Scherrer (nm)	Diện tích bề mặt BET ($m^2/g$)
$\text{PrMnO}_3$	80	4	1/3	750 (2h)	32,2	20,5
$\text{NdMnO}_3$	80	4	1/3	800 (2h)	-	-

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp khoa học và thực tiễn chính như sau:

1. Đóng góp về lý luận và phương pháp tổng hợp: Xác lập quy trình công nghệ tổng hợp đốt cháy gel polyme sử dụng chất tạo gel polyvinyl ancol (PVA) để chế tạo thành công các oxit hỗn hợp kích thước nanomet hệ đất hiếm - mangan bao gồm $\text{CeO}_2\text{-MnO}_x$ và các perovskit đơn pha $\text{LaMnO}_3$, $\text{NdMnO}_3$, $\text{PrMnO}_3$. Luận án đã làm rõ cơ chế biến đổi nhiệt và tối ưu hóa các thông số tạo pha tinh thể (pH = 4, nhiệt độ tạo gel $80^\circ\text{C}$, tỷ lệ mol kim loại/PVA = 1/3, nhiệt độ nung $750\text{--}800^\circ\text{C}$).
2. Đóng góp về ứng dụng thực tiễn: Lần đầu tiên khảo sát một cách có hệ thống khả năng ứng dụng của các vật liệu nano oxit đất hiếm - mangan trong vai trò chất hấp phụ xử lý đồng thời các tác nhân ô nhiễm quan trọng trong nước sinh hoạt gồm amoni, asen, sắt và mangan.
3. Giải pháp công nghệ đề xuất: Thiết lập giải pháp cố định vật liệu nano oxit hỗn hợp lên các giá thể mang xốp (cát thạch anh, bentonit, silicagel, than hoạt tính) bằng phương pháp tẩm gel trực tiếp trước khi thiêu kết, tạo tiền đề kỹ thuật cho việc chế tạo vật liệu lọc ứng dụng trong các hệ thống cấp nước sinh hoạt thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Các khảo sát khả năng hấp phụ trong luận án chủ yếu thực hiện theo phương pháp tĩnh trong bình tam giác ở quy mô phòng thí nghiệm, chưa triển khai mô hình dòng chảy liên tục qua cột lọc động học.
• Chưa khảo sát chi tiết ảnh hưởng cạnh tranh hấp phụ phức tạp khi có mặt đồng thời nhiều loại ion vô cơ và chất hữu cơ hòa tan ở nồng độ biến động mạnh trong các nguồn nước ngầm tự nhiên khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Hoàn thiện việc đánh giá dung lượng hấp phụ và động học hấp phụ của toàn bộ các tỷ lệ compozit $\text{CeO}_2\text{-MnO}_x$ và perovskit $\text{LaMnO}_3$ đối với từng cấu tử ion.
• Nghiên cứu cơ chế giải hấp và khả năng tái sinh, tái sử dụng của vật liệu oxit nano sau nhiều chu kỳ hấp phụ.
• Thử nghiệm vật liệu tẩm trên cát thạch anh và than hoạt tính trong các mô hình xử lý nước ngầm quy mô pilot tại các vùng phát hiện ô nhiễm asen và amoni nặng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Hóa học vô cơ, Hóa lý thuyết và Hóa lý, Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Môi trường. Tài liệu cung cấp cơ sở thực nghiệm chi tiết về kỹ thuật đốt cháy gel polyme (PVA combustion synthesis) để kiểm soát kích thước hạt nano và hình thái pha perovskit.
• Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật công nghệ môi trường: Có thể tham khảo quy trình phân tán oxit nano lên các chất mang giá rẻ (cát, bentonit) và phương pháp xác định điểm điện tích không ($\text{pH}_{\text{PZC}}$) để tối ưu hóa điều kiện pH trong quy trình lọc nước thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Giới hạn quy chuẩn của Bộ Y tế Việt Nam (QĐ 1329/2002/BYT) đối với asen, amoni, sắt và mangan trong nước ăn uống là bao nhiêu?
Theo Quyết định số 1329/2002/BYT/QĐ, giới hạn hàm lượng tối đa cho phép trong nước ăn uống lần lượt là: asen $\le 0{,}01\text{ mg/l}$ ($10\ \mu\text{g/l}$), amoni $\le 1{,}5\text{ mg/l}$, sắt $\le 0{,}5\text{ mg/l}$ và mangan $\le 0{,}5\text{ mg/l}$.

2. Điều kiện tối ưu để tổng hợp pha perovskit $\text{PrMnO}_3$ đơn pha bằng phương pháp đốt cháy gel PVA là gì?
Điều kiện tối ưu bao gồm: môi trường tạo gel ở pH = 4, nhiệt độ tạo gel duy trì tại $80^\circ\text{C}$, tỷ lệ mol kim loại/PVA là 1/3, gel sau khi sấy khô ở $100^\circ\text{C}$ được nung ở nhiệt độ $750^\circ\text{C}$ trong thời gian 2 giờ.

3. Phương pháp nào được sử dụng để định lượng nồng độ các chất trong dung dịch nghiên cứu?
Luận án sử dụng các phương pháp: chuẩn độ vi lượng $\text{Ce(III)}$ bằng dung dịch chuẩn DTPA (chỉ thị Arsenazo III); định lượng $\text{NH}_4^+$ bằng phương pháp so màu indophenol ở bước sóng $640\text{ nm}$ trên máy UV-VIS; định lượng asen bằng phương pháp hóa hơi hydrua nguyên tử lạnh ($\text{NaBH}_4$) trên máy AAS tại bước sóng $193{,}7\text{ nm}$; định lượng sắt và mangan trên máy AAS ở các bước sóng tương ứng $248{,}3\text{ nm}$ và $279{,}5\text{ nm}$.

4. Khái niệm điểm điện tích không ($\text{pH}_{\text{PZC}}$) có ý nghĩa như thế nào đối với quá trình hấp phụ trên oxit kim loại?
Điểm điện tích không là giá trị pH mà tại đó mật độ điện tích bề mặt hạt oxit trung hòa về điện. Khi $\text{pH} > \text{pH}_{\text{PZC}}$, bề mặt phân ly tạo nhóm $\text{MO}^-$ mang điện tích âm, thuận lợi cho việc hấp phụ các cation như $\text{NH}4^+$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Mn}^{2+}$. Khi $\text{pH} < \text{pH}{\text{PZC}}$, bề mặt nhận proton tạo nhóm $\text{M-OH}_2^+$ mang điện tích dương, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp phụ các anion asenat ($\text{H}_2\text{AsO}_4^-$, $\text{HAsO}_4^{2-}$).

5. Mẫu nano $\text{PrMnO}_3$ chế tạo ở điều kiện tối ưu có những đặc trưng cấu trúc nào?
Mẫu $\text{PrMnO}_3$ tối ưu đạt cấu trúc tinh thể perovskit đơn pha, cấu trúc xốp đồng đều trên ảnh FE-SEM ở độ phóng đại 100.000 lần, kích thước tinh thể trung bình tính theo công thức Scherrer từ giản đồ XRD là $32{,}2\text{ nm}$ và diện tích bề mặt riêng đo bằng phương pháp BET đạt $20{,}5\text{ m}^2/\text{g}$.

Kết luận

Luận án đã giải quyết vấn đề tổng hợp các oxit nano hỗn hợp hệ đất hiếm - mangan ($\text{CeO}_2\text{-MnO}_x$, $\text{LaMnO}_3$, $\text{NdMnO}_3$, $\text{PrMnO}_3$) bằng phương pháp đốt cháy gel PVA. Các thông số thực nghiệm tối ưu về nhiệt độ tạo gel ($80^\circ\text{C}$), pH môi trường (pH = 4), tỷ lệ mol kim loại/PVA (1/3) và nhiệt độ nung ($750\text{--}800^\circ\text{C}$) đã được xác lập cụ thể để thu được sản phẩm perovskit đơn pha có kích thước nanomet và diện tích bề mặt riêng cao. Kết quả nghiên cứu tạo cơ sở khoa học và thực nghiệm cho việc phát triển vật liệu hấp phụ ứng dụng trong xử lý asen, amoni, sắt và mangan nhằm nâng cao chất lượng nguồn nước sinh hoạt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Hiện nay, vật liệu nano được biết đến với các ứng dụng như: cung cấp năng lượng sạch, truyền tải điện năng hiệu suất cao, sử dụng vật liệu nano cho các hệ thống lọc nước sạch… Một số nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, các nước châu Âu đã nhìn nhận công nghệ nano như một trong những lĩnh vực triển vọng nhất của thế kỷ 21 và đã có các dự án đầu tư tương đối lớn cho lĩnh vực này. Tuy nhiên, ở các nước đang phát triển thì công nghệ nano chưa được phát triển và vẫn còn rất mới. Việt Nam cũng nằm trong nhóm các nước này. Trong vài thập kỷ vừa qua, ở Việt Nam, sự phát triển khoa học và công nghệ và sự đô thị hoá làm tăng ô nhiễm môi trường do nguồn khí thải, nước thải và chất thải rắn không được sử lý một cách triệt để.

Một trong các vấn đề được quan tâm đó là nước sinh hoạt đang ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm ngày càng tăng. Hiện nay, ở nước ta nguồn cung cấp nước sinh hoạt chủ yếu là nguồn nước ngầm. Nhưng nguồn nước này ở một số khu vực bị ô nhiễm, chứa các chất có hại cho sức khoẻ con người như các kim loại nặng, các hợp chất lưu huỳnh, các hợp chất nitơ, các hợp chất halogen và các hợp chất hữu cơ…Vấn đề mà người dân ở các tỉnh, thành phố như: Hà Nội, Hà Nam, Hưng Yên, Vĩnh Phúc, Nghệ An, Đồng Bằng Sông Cửu Long, Hà Tĩnh,… đặc biệt quan tâm đó là sự ô nhiễm asen, amoni trong nguồn nước sinh hoạt. Đây là các hợp chất có hại cho sức khoẻ con người, gây bệnh hiểm nghèo như ung thư, suy giảm hoạt động hệ tiêu hoá và tiết liệu.

Các phương pháp hóa học, hóa-lí để xử lý nước như: kết tủa, hấp thụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxi hóa khử, tạo phức, thẩm thấu ngược., tùy theo yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp xử lý đơn lẻ hay tổ hợp. Phương pháp hấp phụ là biện pháp phổ biến và có hiệu quả để loại bỏ asen, nhất là việc sử dụng vật liệu nano. 1 Việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các vật liệu nano oxit kim loại để hấp phụ asen được nhiều nhà khoa học quan tâm do những đặc tính ưu việt của chúng. Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực này chưa được hệ thống và hiệu quả ứng dụng thực tiễn chưa cao.

Đặc biệt nghiên cứu khả năng hấp phụ asen, amoni trên vật liệu nano oxit hỗn hợp hệ đất hiếm – mangan còn rất hạn chế. Vì vậy, chúng tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu tổng hợp một số oxit hỗn hợp kích thước nanomet hệ đất hiếm-mangan và khảo sát khả năng hấp phụ đối với amoni, asen, sắt, mangan trong nước sinh hoạt” với các nội dung chính cũng là các điểm mới của luận án: Tổng hợp oxit hỗn hợp CeO2-MnOx, các perovskit LaMnO3, NdMnO3, PrMnO3 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel polyvinylancol (PVA) và lần đầu tiên nghiên cứu khả năng hấp phụ của các vật liệu này đối với amoni, asen trong nước sinh hoạt. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan tình hình ô nhiễm asen, sắt, mangan, amoni trong nƣớc ngầm ở Việt Nam Nhu cầu của nước sinh hoạt và công nghiệp tồn tại song song với sự phát triển của con người, ở đâu có nước thì ở đó mới có sự sống.

Đối với các hệ thống cấp nước công đồng thì nguồn nước ngầm luôn là nguồn nước được quan tâm, bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phụ thuộc vào sự biến động theo mùa. Ngoài ra, nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi tác động của con người. Chất lượng nước ngầm tốt hơn chất lượng nước mặt rất nhiều. Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay hạt lơ lửng, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh thấp.

Thành phần đáng quan tâm trong nước ngầm là các tạp chất hoà tan do ảnh hưởng của điều kiện hạ tầng, thời tiết, nắng mưa, các quá trình phong hoá và sinh hoá trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện phong hoá tốt, có nhiều chất bẩn và lượng mưa lớn thì chất lượng nước ngầm dễ bị ô nhiễm bởi các chất khoáng hoà tan, các chất hữu cơ, mùn lâu ngày theo nước mưa ngấm vào đất. Ngoài ra, nước ngầm còn bị nhiễm bẩn do tác động của con người như các chất thải của con người, động vật, các chất thải sinh hoạt, chất thải hoá học, việc sử dụng phân bón hoá học… Tất cả những loại chất thải đó theo thời gian sẽ ngấm vào nguồn nước, tích tụ dần và làm ô nhiễm nguồn nước ngầm. Đã có không ít nguồn nước ngầm do tác động của con người đã bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ, do các vi khuẩn gây bệnh, nhất là các hoá chất độc hại như các kim loại nặng, dư lượng thuốc trừ sâu và không loại trừ cả các chất phóng xạ.

Việt Nam là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và khá tốt về chất lượng. Nước ngầm ở Việt Nam nói chung có hàm lượng muối cao, hàm lượng Fe, Mn, Mg cũng cao hơn so với thế giới [1, 2]. Việc chọn nguồn nước là quá trình rất phức tạp, ngoài vấn đề kinh tế thì việc đánh giá chất lượng nước luôn được xem là quan trọng. Việc đánh giá thường được thực hiện 3 thông qua các số chỉ tiêu của nước, qua đó có thể xác định công nghệ xử lý thích hợp tuỳ theo những khu vực nhất định có những điều kiện cụ thể mà cần đánh giá khảo sát cho phù hợp.

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước con người không ngừng khai thác xử lý nguồn nước. Phần lớn nước khai thác và sử dụng trong sinh hoạt và công nghiệp hiện nay là nước ngầm. Vì vậy, ô nhiễm và sụt giảm nguồn nước ngầm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng môi trường và cuộc sống của người dân. Theo số liệu thống kê đến năm 2006 của Bộ Y tế thì chỉ có 60% dân số Việt Nam được tiếp cận với nước sạch hợp vệ sinh.

Trong chiến lược quốc gia mà Việt Nam đề ra thì đến năm 2020 sẽ đạt con số 100% người dân được tiếp cận với nước sạch hợp vệ sinh. Để đạt được mục tiêu đề ra, Việt Nam cần phải giải quyết vấn đề xử lý nước ngầm ô nhiễm, mà điều này còn gặp nhiều khó khăn. Ô nhiễm asen trong nƣớc ngầm Vào những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20 và cho đến thế kỷ 21 vấn đề ô nhiễm asen trong nước sinh hoạt là mối quan tâm đặc biệt trên toàn thế giới, khi thảm hoạ nhiễm độc asen được phát hiện trên diện rộng ở Bangladesh, Mỹ, Trung Quốc, Chi Lê, Đài Loan, Mehico, Archentina, Hà Lan, Canada, Hungari, Nhật Bản và Ấn Độ [3]. Ở Việt Nam, một số khảo sát đã phát hiện thấy nước ngầm ở nhiều nơi thuộc châu thổ sông Hồng bị nhiễm asen nặng với nồng độ cao rất nhiều so với giới hạn an toàn cho sức khoẻ con người (Tiêu chuẩn bộ Y tế Việt Nam QĐ 1329/2002-BYT nồng độ asen trong nước sinh hoạt dưới 0,01mgAs/l) [4].

Theo tác giả Phạm Hùng Việt và các cộng sự, hàm lượng asen trong nước ngầm vùng đồng bằng sông Hồng dao động trong khoảng 1-3050 µg/l (trung bình là 159 µg/l) [5]. Cũng theo tác giả Phạm Hùng Việt và các cộng sự công bố ở công trình [6] hàm lượng asen trong rất nhiều mẫu nước ngầm Hà 4 Nội cao hơn 550µg/l và dạng tồn tại chủ yếu là As(III). Theo nghiên cứu của tác giả Tetsuro Agusa và các cộng sự ở thời điểm năm 2001, khi nghiên cứu các mẫu nước ngầm ở khu vực huyện Gia Lâm và Thanh Trì, thành phố Hà Nội hàm lượng asen trong nước ngầm trong khoảng 0,1 đến 330 µg/l, với 40% mẫu vượt quá tiêu chuẩn cho phép về nước uống của WHO là 10µg/l [7]. Nghiên cứu của Nguyễn Vân Anh và các cộng sự khảo sát sự ô nhiễm asen tại ba làng Vĩnh Trù, Bồ Đề, Hoà Hậu của tỉnh Hà Nam, nguồn nước người dân ở các làng này sử dụng chủ yếu là nước ngầm, nồng độ asen trong các mẫu nước ngầm tại các khu vực này trung bình là 348, 211 và 325 µg/l vượt quá tiêu chuẩn cho phép (10 µg/l) [8].

Theo nghiên cứu của Hoàng Thị Hạnh và các cộng sự vào năm 2007- 2008 [9] ở các tỉnh vùng đồng bằng sông Mê Kông như An Giang, Đồng Tháp, Kiên Giang và Long An hàm nước asen trong các mẫu nước ngầm được đưa ra trong bảng sau. Hàm lượng asen trong mẫu nước ngầm ở đồng bằng sông Mê Kông [9] Số lượng mẫu Phần trăm mẫu vượt Giá trị trung Địa điểm nghiên cứu ngưỡng 10 µg (%) bình (µg/l) An Giang 107 43 110 Đồng Tháp 86 38 57 Kiên Giang 123 2,4 1,74 Long An 89 12 4,4 Từ bảng trên cho thấy ở vùng đồng bằng sông Mê Kông nguồn nước ngầm có dấu hiệu của sự ô nhiễm asen, đặc biệt là tỉnh An Giang phần trăm số mẫu vượt quá tiêu chuẩn cho phép đến 43%. Nguồn gây ô nhiễm asen: 5 Asen có trong một số khoáng vật như arsenopyrite, gallery, sunfit, orpiment, fluoresc, lolligite… Khi nước chảy qua các vỉa quặng chứa asen đã bị phong hoá, asen sẽ di chuyển vào nguồn nước làm cho nồng độ của asen trong nước tăng lên. Quá trình đô thị hoá, hiện đại hoá trong công nghiệp, nông nghiệp phải sử dụng một lượng hoá chất tương đối lớn, chất thải, nước thải của các khu dân cư, khu công nghiệp chưa qua xử lý thải ra môi trường.

Các nguồn chất thải ngấm qua lớp đất đá làm suy thoái nguồn nước ngầm, làm cho asen dạng khó tan chuyển thành dễ tan và đi vào nước. Các dạng tồn tại của asen trong nƣớc: Asen tồn tại ở các mức oxi hoá -3, 0, +3 và +5. Trong môi trường nước, tồn tại các dạng axit asenơ (H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32-), axit asenic (H3AsO4, H2AsO4-, HAsO42-), asenit (AsO33-), asenat (AsO43-), axit methylasenic, axit dimethylasenic, asin (AsH3) [3]. Các dạng asen trong nước ngầm phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái và tính chất của nước.

Dạng asen tồn tại chủ yếu trong nước ngầm là H2AsO4- (trong môi trường pH đến gần trung tính), HAsO42- (trong môi trường kiềm). Hợp chất H3AsO3 được hình thành chủ yếu trong môi trường oxi hoá khử yếu. Các hợp chất asen hữu cơ có độ hoà tan kém tồn tại trong môi trường trung tính và nghèo ion Ca2+. Ảnh hƣởng của asen đối với sức khoẻ của con ngƣời: Asen đi vào cơ thể con người là do ăn, uống và tích luỹ dần.

Khi đạt tới một giá trị đủ lớn nó sẽ gây ra nhiều bệnh tật rất nguy hiểm và có thể tử vong.