Đặt vấn đề Bảo vệ môi trường và phát triển bền vững cần phải quản lý và xử lý các loại chất thải một cách hiệu quả. Trong đó, hai thành phần ô nhiễm được chú trọng đó là nitrat và phốt phát, vì dạng ô nhiễm này có ảnh hưởng trực tiếp và nghiêm trọng đến sức khỏe con người cũng như hệ sinh thái. Nitrat, phốt phát là hai thành phần dinh dưỡng thiết yếu cho sinh vật phát triển. Vì thế các muối của nitrat, phốt phát được sử dụng phố biến trong nhiều ngành của nông nghiệp và công nghiệp, khi chúng thải ra bên ngoài lại là nguồn gây ô nhiễm môi trường.
Sự có mặt của nitrat, phốt phát là nguồn dinh dưỡng dồi dào cho tao phát triển, phá vở cân bang sinh thái trong lưu vực. gây ra hiện tượng phú dưỡng [1]. Nếu nồng độ ion nitrat trong nước uống cao có thé gây ra van dé sức khỏe con người, ví dụ: nitrat khi vào cơ thé được chuyển hóa thành nitrit, ion này tác dụng với hemoglobin trong hồng cầu và chuyển thành methemoglobin, gây ngộ độc cơ thé [2]. Ngoài ra, khi nitrit kết hợp với các axit amin trong cơ thé sẽ hình thành các hop chất nitrosamine, chất này có khả năng gây ung thư [3].
Do đó, việc xử lý nitrat và phốt phát ra khỏi nguồn nước là việc làm rất cần thiết. Các phương pháp loại bỏ nitrat và phốt phát được ứng dụng như: phương pháp sinh học (ky khí, hiếu khí, thiếu khí) hoặc phương pháp hóa lý (keo tụ tạo bông, trao đôi ion, hấp phụ). Phương pháp sinh học cần có kỹ thuật vận hành, các vi sinh vật chuyển hóa nitơ, phốt pho trong nước thải để sinh trưởng và phát triển sinh khói, sinh ra lượng bùn sinh học lớn và phải xử lý tiếp tục lượng bùn nay [4]. Tương tự, phương pháp keo tụ tạo bông cũng tao ra lượng bùn đáng kế ở dạng bùn vô cơ, ngoai ra còn phải tiêu tốn nhiều hóa chất khi dùng các muối sắt hoặc muối nhôm dé keo tụ và điều chỉnh pH [5].
Hiện nay, giải pháp hấp phụ bang vật liệu nano để loại bỏ nitrat, phốt phát đang được chú trong, trong đó có nano oxit sắt [6] được nghiên cứu ứng dụng 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, có thê hoàn nguyên và tái sử dụng. Vat liệu nano đơn lẻ có hiệu quả xử lý thap nên chúng hay kết hợp với thành phần khác, được biến tính để đạt hiệu quả xử lý nitrat, phốt phát cao hon, chang hạn như nano oxit sắt-cacbon nanotube [7]. FexMn,O-tro trâu hoạt hóa [8], nano sắt-Mn [9]. Từ các vẫn đề trên, dé tài nghiên cứu “Hiệu qua hap phụ nitrat, phốt phát của vật liệu nano oxit sat-amin” có ý nghĩa rat lớn vừa giải quyết van dé ô nhiễm môi trường, vừa có tính học thuật và phù hợp với xu thế thời đại công nghệ nano được ứng dụng ngày càng rộng rãi.
Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt biễn tính với gốc amin (oxit sắt-amin) ứng dụng để loại bỏ hai thành phần ô nhiễm ion nitrat và ion phốt phát trong nước. Đối tượng nghiên cứu và phạm vỉ nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: ion nitrat và ion phốt phát trong dung dịch nước giả thải và nước thai đã qua xử lý sinh học, vật liệu nano oxit sắt - amin. Phạm vi nghiên cứu: đánh giá khả năng và đặc tính hấp phụ của vật liệu oxit săt-amin đối với ion nitrat và ion phốt phát trong nước giả thải và nước thải sinh hoạt sau quá trình xử lý sinh học. Nội dung nghiên cứu - _ Điều chế và biến tính vật liệu nano oxit sắt-amin.
- Xac định đặc trưng cua vật liệu nano oxit săt-amin như: điện tích bề mặt riêng (BET), pho nhiễu xạ tia X (XRD), phố hồng ngoại (FTIR), ảnh chụp hiển vi điện tử quét (SEM), EDX, Mapping va nhiệt trọng trường (TGA). - Xác định điều kiện phù hop cho quá trình hấp phụ trong việc loại bỏ ion nitrat va ion phốt phát trong dung dịch của vật liệu nano oxIt săt-amin. - Anh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu quả hấp phụ; « Anh hưởng của pH dung dịch; - Anh hưởng của khối lượng chat hap phụ; - Anh hưởng của nông độ ion nitrat, ion phốt phát trong dung dich ban đầu và nhiệt độ môi trường: - _ Thử nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu nano oxit sat-amin, đối với ion nitrat và phốt phát trong nước thải 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 Y nghĩa khoa học: Nâng cao hiệu quả hấp phụ.
cũng như khả năng trao đối ion nitrat và phốt phat của vật liệu oxit săt-amin, so sánh với nhựa trao đổi ion thương mại. Y Nghĩa thực tiên: Đề xuất một loại vật liệu mới để loại bỏ nitrat và phốt phát trong môi trường. Tính mới của đề tài Đề xuất một giải pháp thiết kế vật liệu hiệu quả ứng dung trong loại bỏ nitrat và phốt phát trong môi trường nước. CHUONG 2: TONG QUAN 2.
O nhiễm do chất dinh dưỡng Nitrat và phốt phát được xem là chất dinh dưỡng can thiết cho sinh vật phát triển [10]. 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. Phốt phát là hợp chất muối của phốt pho và các khoáng chất khác (Ca*, Na”, Mg", KT.) bao gồm phốt phát hữu co và phốt phát vô co [11].
Trong môi trường nước phốt phát tồn tại ở dạng orthophotphat (PO4*, HPOa?, H2PO4, H:PO¿) va phốt phát hữu cơ, poly phốt phát [Nas(POz)s] là dang tồn tại khác hay gặp trong nước thải [12]. Nguồn gốc phat sinh nitrat, phốt phát Từ nước thai sinh hoạt Trong nước thai sinh hoạt chưa qua xử lý, nitơ thường tổn tại ở dang nitơ hữu cơ và amoniac. Thanh phan amoni chiếm 60 — 80% hàm lượng nitơ tông trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp. Nguồn phát thải photpho/phốt phát trong nước thải sinh hoạt là từ phân, chất tay rửa tong hợp.
Ngoài ra một lượng thải ra đáng kể đi vào nước là từ thực phẩm thừa như sữa, thit, cá [11]. Nông độ nitrat, phốt phát trong nước thải sinh hoạt bién động theo lưu lượng nguồn nước thải, mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độ tập trung các dịch vụ công cộng, thời tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt, thay đôi mạnh theo chu kỳ thời gian, cũng như mức sống và tiện nghỉ của cộng đồng [13]. Từ nước thải công nghiệp Ô nhiễm do hợp chất nitrat, phốt phát từ sản xuất công nghiệp liên quan tới các ngành nghề như chế biến thực phẩm, chế biến thủy hải sản, giết mồ gia súc [14]. Lượng nước được sử dụng khá lớn ở nhiêu công đoạn trong quá trình chê biên, các hợp chất chứa nitrat, phốt phát theo đó được thai ra ngoài, lượng nước và nồng độ nito, photpho thải ra khác nhau tùy vào nguyên liệu chế biến, ngành nghề sản xuất.
Từ sản xuất nông nghiệp Trong nông nghiệp, phân N-P-K thường được sử dụng để bổ sung dinh dưỡng cho cây trồng, nhưng cây trồng chỉ sử dụng một phan, chăng hạn như phân đạm khi bón cho cây, thực vật chỉ hấp thu ở dạng nitrat và amoni, một số giải phóng ra khí quyền ở dạng khí N: va NH, còn lại tích tu trong đất có thé bị cuốn theo dòng chảy hoặc thấm vào tầng nước dưới đất [15]. Với nhu cầu lớn lượng phân bón cần sử dụng cho nông nghiệp, nếu bón phân không hợp lý, vượt quá nhu cầu của cây trong gây dư thừa va thải ra môi trường cũng là nguyên nhân ô nghiém, không chỉ nguồn nước mặt mà nguồn nước ngầm cũng bị ảnh hưởng [16]. Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia súc, gia cầm có lưu lượng nhỏ hơn so với nước sinh hoạt, chủ yếu là nước tăm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nước thải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng lớn chất ran không tan: phân, rác rưởi, bùn đất, thức ăn thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa nitrat, phốt phát được phân tách ra từ các chất thải răn khi gặp nước [17].
Anh hưởng của nitrat, phốt phát đến con người và môi trường Ảnh hưởng tới môi trường Khi nước thải chứa nitrat, phốt phát chảy vào sông, hồ làm tăng đáng ké ham lượng chất dinh dưỡng cho sinh vật. Khi đó sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ cân băng sinh thái, sản sinh nhiều chất độc trong nước như NH¿}, H2S, CO›, CH¿. tiêu diệt nhiều loại sinh vật có trong nước, hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước [18]. Dac biệt là vào mùa xuân, khi nhiệt độ, ánh sáng tăng lên và nước phân tầng, sinh khối tảo tăng nhanh, rồi chết đi gây ra màu nước xanh, phát sinh mùi hôi khó chịu và một số chất độc, làm giảm hàm lượng oxy của nước một cách nghiêm trọng, dẫn đến chết cá [13].
Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước thải. Đặc biệt tại các khu vực đô thị, một số kênh, sông thoát nước có màu xanh đen hoặc đen, mùi hôi thối do thoát khí H2S tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của khu dân cư, hiện tượng này tác động tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư đô thị. Dé kiểm soát sự phú ding hóa, co quan môi trường ở nhiều quốc gia đã đưa ra mức giới hạn cho phép của nitơ và phốt pho trong môi trường nước, cũng như mức giới hạn của những chất này trong nước thải trước khi được xả ra môi trường [19]. Việt Nam cũng có ban hành quy chuẩn quốc gia quy định giá trị tới han nỗng độ của hai thông số này như đối với nước thải sinh hoạt (QCVN14:2008/BTNMT), nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT).
Ảnh hưởng tới con người Ngoài việc gây phú dưỡng hóa, nitơ và photpho tôn tại trong nước thải gây 6 nhiễm môi trường, còn ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng [20]. Khi hợp chất nitơ trong nước thải không được xử lý, nó đi vào trong chuỗi thức ăn hay trong nước cấp ăn uống trực tiếp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm.