MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Ngày nay ô nhiễm nguồn nước đang là một vấn đề được quan tâm trên toàn thế giới cũng như ở Việt Nam. Đặc biệt nước bị nhiễm kim loại nặng đang trở thành vấn đề thời sự trong những năm gần đây với sự nổi lên của các làng ung thư ở nhiều địa phương khác nhau. Một số kim loại nặng bao gồm Co, Fe, Cu, Mn, Mo, Sr và Zn là thành tố vi lượng cần thiết trong vi sinh vật xong nếu quá nồng độ cho phép thì chúng lại có thể gây hại cho sự sống của vi sinh vật.
Còn lại đa số các kim loại nặng như Hg, Cr, Cd, As, Pb, Sr trở thành mối đe dọa lớn đối với đời sống của vi sinh vật, động vật nói chung và con người nói riêng [19]. Độc tính của các kim loại nặng này có thể là do sự ức chế quá mức và biến đổi các enzym khác nhau hoặc tạo phức với các phối tử của axit amin, thay thế các ion kim loại cần thiết khác từ các enzym trong cơ thể [19, 35]. Hơn nữa, quá trình công nghiệp hóa phát triển mạnh mẽ với sự hình thành các khu công nghiệp, khu chế xuất đã và đang là vấn nạn gây ra các vấn đề ô nhiễm nguồn nước do việc xả thải nước thải không qua xử lý từ các khu công nghiệp. Đây là nguyên nhân gây ra ô nhiễm nguồn nước ngầm, nước mặt ở nhiều nơi đặc biệt quanh những khu vực có khu công nghiệp, nhà máy sản xuất với sự xuất hiện ngày càng nhiều dòng sông “chết” có nồng độ các kim loại nặng vượt quá giới hạn cho phép nhiều lần.
Theo tiêu chuẩn của WHO đưa ra về nồng độ được phép của các kim loại nặng trong nước sinh hoạt như As, Pb là 10 , Hg là 1 [33]. Cụ thể các kim loại nặng như Pb, Hg, As, Cr (VI), Cd có trong nước thải của các nhà máy sản xuất pin, acqui, luyện kim, hóa dầu, khai thác mỏ, sản xuất sản phẩm dùng trong nông nghiệp… Chúng là chất gây độc tính cao (ảnh hưởng đến hệ thần kinh, hô hấp, tuần hoàn), có khả năng tích lũy trong cơ thể, có thể gây ra các bệnh ung thư [9]. Vì vậy, vấn đề cấp thiết hiện nay là phải loại bỏ các kim loại nặng có trong nước thải của các nhà máy sản xuất trước khi xả thải ra môi trường, cũng như trong nước sinh hoạt nhằm bảo vệ tối đa cho sức khỏe con người [19-29]. Các phương pháp phổ biến được sử dụng hiện nay như đồng kết tủa, kết tủa hóa học, tách chiết dung dịch, điện phân, màng siêu lọc (ultra filtration membrane), hấp thụ-trao đổi ion, điện di và chiếu xạ [16-33].
Tuy nhiên những phương pháp này chỉ xử lý được với qui mô nhỏ, không phù hợp khi áp dụng ở 2 phạm vi rộng lớn. Trong thời gian gần đây, công nghệ nano đã và đang đưa ra các giải pháp hữu hiệu cho công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường với sự ứng dụng đa dạng của nhiều loại vật liệu khác nhau như những chất hấp thụ nano (nanosorbents): ống nano cacbon, keo xốp zeolit, bạc. Các vật liệu nano với các tính chất lý - hóa vốn có như tỉ lệ diện tích bề mặt lớn trong một đơn vị khối lượng khi kích thước hạt giảm xuống đến nanomet, điều này dẫn đến tăng số phân tử, nguyên tử trên bề mặt làm tăng khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm trong dung dịch [29, 33]. Thêm vào đó, các tính chất điện, quang xúc tác mạnh của các hạt ở kích thước nano mang lại hiệu quả diệt khuẩn, tinh sạch cao khi xử lý nước ô nhiễm [2, 29].
Các vật liệu nano này cũng có thể được chức năng hóa với nhiều các nhóm chức hóa học khác nhau cho phép tăng khả năng hấp thụ, lọc lựa các chất ô nhiễm [13, 29, 34]. Hơn nữa, hướng nghiên cứu nổi lên gần đây là chế tạo các hạt nano từ tính như ôxit sắt từ Fe3O4, niken ferit, coban ferit có tính chất siêu thuận từ với từ độ bão hòa kỹ thuật lớn (ở nhiệt độ phòng), độc tính thấp, khá tương thích sinh học và thân thiện với môi trường, hứa hẹn mang lại khả năng định hướng dễ dàng trong dung dịch, tách lọc các chất ô nhiễm trong nước thải bằng từ trường bên ngoài [2, 11]. Tuy nhiên, các hạt nano Fe3O4 có những nhược điểm nhất định như dễ bị ôxi hóa trong không khí tạo thành Fe2O3 làm giảm từ tính của hạt, không bền, dễ bị hòa tan trong môi trường axit yếu. Chính vì vậy, hướng nghiên cứu bọc lớp vỏ bảo vệ hạt nano Fe3O4 lõi vừa giúp cho các hạt nano Fe3O4 bền hơn khi phân tán trong dung dịch, vẫn giữ được tính chất từ của vật liệu, mà còn tương thích sinh học và thân thiện với môi trường hơn.
Trong các lớp vỏ bọc được nghiên cứu nhiều như lớp silica vô định hình [18, 30], chitosan [21, 34], polyethylene glycol (PEG) [21],… trong đó các nghiên cứu về bọc lớp vỏ vô cơ lên các hạt nano từ tính như ZnO, TiO2, ZnS,… đã được nhiều nhóm nghiên cứu [11, 35]. Các hạt nano bán dẫn TiO2, ZnO với tính chất khá xốp, khả năng quang xúc tác mạnh hứa hẹn sẽ hấp thụ và xử lý các chất ô nhiễm tốt hơn [22, 31]. Đặc biệt các hạt nano bán dẫn khi được biến tính bề mặt bằng cacbon [24], kim loại [22, 25], hoặc trở thành lớp vỏ bao bọc quanh các hạt nano Fe3O4 sẽ là chất quang xúc tác mạnh trong cả vùng ánh sáng tử ngoại và nhìn thấy (do độ rộng vùng cấm của Fe3O4 nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy) [35]. Tính chất vượt trội này của hạt nano composit từ 3 tính - bán dẫn giúp nâng cao hiệu suất quang xúc tác làm tăng khả năng ứng dụng trong xử lý chất ô nhiễm.
Như vậy, sự kết hợp của lớp vỏ bọc bán dẫn và lõi từ tính hứa hẹn mang lại vật liệu composit mới đa tính năng vừa có khả năng hấp thụ và xử lý tốt của hạt nano bán dẫn (do tính chất xốp, quang xúc tác mạnh) vừa có khả năng định hướng đến vị trí mong muốn trong dung dịch, tách lọc ra khỏi dung dịch bằng từ trường ngoài (do tính chất siêu thuận từ). Chính vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu một số vật liệu nano composit đa chức năng và thử nghiệm xử lý nước ô nhiễm” 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC Ô NHIỄM 1. Thực trạng ô nhiễm nguồn nƣớc hiện nay Hình 1. Nước ta có nền công nghiệp đang phát triển mạnh, do vậy các khu công nghiệp đã xả ra môi trường nhiều chất thải gây ô nhiễm môi trường.
Nông nghiệp là ngành sử dụng nhiều nước nhất dùng tưới lúa và hoa màu, chủ yếu là ở đồng bằng sông Cửu Long và sông Hồng. Việc sử dụng nông dược và phân bón hóa học càng góp thêm phần ô nhiễm môi trường nông thôn. Ở đô thị và các khu công nghiệp Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại. Ví dụ: ở ngành công nghiệp dệt may, ngành công nghiệp giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung bình từ 9-11; chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhu cầu 5 ôxy hoá học (COD) có thể lên đến 700mg/1 và 2.500mg/1; hàm lượng chất rắn lơ lửng.
cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép. Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4,2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng dân cư.2: Một số nguyên nhân khác - Sự gia tăng dân số, mặt trái của quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá, cơ sở hạ tầng yếu kém, lạc hậu: nhận thức của người dân về vấn đề môi trường còn chưa cao. Nhận thức của nhiều cấp chính quyền, cơ quan quản lý, tổ chức và cá nhân có trách nhiệm về nhiệm vụ bảo vệ môi trường nước chưa sâu sắc và đầy đủ; chưa thấy rõ ô nhiễm môi trườngnước là loại ô nhiễm gây nguy hiểm trực tiếp, hàng ngày và khó khắc phục đối với đời sống con người cũng như sự phát triển bền vững của đất nước Các quy định về quản lý và bảo vệ môi trường nước còn thiếu (chẳng hạn như chưa có các quy định và quy trình kỹ thuật phục vụ cho công tác quản lý và bảo vệ nguồn nước). Một số giải pháp xử lý ô nhiễm nước hiện nay.1 Biện pháp chung Căn cứ để lựa chọn các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm là các công ước quốc tế liên quan; luật quốc gia và quyền hạn được định ra các quy định riêng của địa phương phù hợp với các văn bản pháp quy đó để áp dụng có hiệu quả trong điều kiện thực tế của khu vực.
Những biện pháp chung sau cần phải được xem xét thực hiện: 1. Để phòng ngừa ô nhiễm môi trường tốt thì việc đầu tiên cần làm là Việt Nam phải tham gia đầy đủ vào các công ước quốc tế liên quan như Marpol (cả 6 phụ lục), Basel và các nghị định thư, CLC 1992 và Fund 1992, Công ước về hệ thống chống hà của tàu vì chúng tạo cơ sở pháp lý cho việc triển khai các kế hoạch về kiểm soát và phòng ngừa ô nhiễm không chỉ đối với các đối tượng trong nước mà với cả những đối tượng nước ngoài tham gia hoạt động giao thông trên tuyến đường thủy của Việt Nam. Đối với các công ước chưa có hiệu lực như bunker 2001, quản lý nước dằn và cặn bùn tàu v.v thì căn cứ vào các tiêu chuẩn của chúng để ban hành các văn bản của địa phương với những tiêu chuẩn tương đương với quy định của những công ước này và phù hợp với điều kiện của khu vực. Xây dựng và triển khai các kế hoạch ứng phó với các sự cố môi trường, nhất là sự cố tràn dầu, để đảm bảo phát huy tối đa nguồn lực s n có, tăng cường khả năng thành thục của các bộ phận liên quan và duy trì tốt mối quan hệ, thông tin liên lạc giữa các bên liên quan.
Tăng cường hệ thống kiểm tra, kiểm soát để đảm bảo những quy định đã được ban hành được thực thi nghiêm túc, khắc phục tình trạng thực hiện một cách đối phó hay gian dối. Có chế tài xử phạt với mức xử lý đủ sức răn đe đối với những vi phạm.