MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận văn Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường nước nói riêng đang trở nên ngày càng nghiêm trọng. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ, môi trường sống của con người ngày càng bị ô nhiễm, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống và sức khỏe con người, trong đó nghiêm trọng nhất là môi trường nước. Thật không khó để chúng ta bắt gặp những thông tin về ô nhiễm môi trường trên các phương tiện truyền thông.
Có rất nhiều nguyên nhân gây ra tình trọng ô nhiễm môi trường hiện nay mà chúng ta có thể kể đến đó là sự phát triển kinh tế, sự phát triển về công nghiệp, nông nghiệp, quá trình đô thị hóa và rất nhiều các nguyên nhân khác nữa. Nguồn nước chủ yếu được khai thác là nước ngầm. Nước ngầm thường chứa các chất có hại cho sức khỏe của con người như kim loại, hợp chất lưu huỳnh, hợp chất nito, halogel và một số các hợp chất khác. Đặc biệt Asen (còn gọi là thạch tín) là một nguyên tố có hại cho sức khỏe con người như mẩn ngứa, ung thư.
Các phương pháp hóa học, hóa- lý được lựa chọn để xử lý nước như kết tủa, hấp thụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxi hóa khử, tạo phức, keo tụ, sa lắng, lọc màng và thẩm thấu ngược. Tùy trong yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp xử lý đơn lẻ hay tổ hợp. Nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng cả về chất lượng và số lượng. Trong một vài năm tới chúng ta phải đảm bảo cho 80% dân số được sử dụng nước sạch.
Để đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt cho người dân, nhất là những hộ dân đang sử dụng nước từ các giếng khoan ở những vùng nước ngầm ô nhiễm asen, vấn đề loại bỏ asen là cần thiết và cấp bách. Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của vật liệu mới vào xử lý môi trường đặc biệt là môi trường nước ngầm, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu kích thƣớc nano sắt oxit trên nền bentonit để xử lý asen trong nƣớc ngầm” để nghiên cứu. Dựa trên các kết quả thực hiện đề tài, hướng ứng dụng công nghệ chế tạo vật liệu có kích thước nanomet trong lĩnh vực môi trường nước đáp ứng một phần nhu cầu về nước sạch hiện nay được đề xuất. Mục tiêu nghiên cứu - Tổng hợp được vật liệu kích thước nano sắt oxit trên nền bentonit.
1 Luan van - Đánh giá được khả năng hấp phụ xử lý asen trong nước ngầm của vật liệu có kích thước nano sắt oxit, sắt oxit / bentonit. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu sắt oxit trên nền bentonit có kích thước nano bằng phương pháp đốt cháy gel PVA. - Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành pha của vật liệu như nhiệt độ nung, pH tạo gel, tỉ lệ theo thể tích KL/PVA, nhiệt độ tạo gel,. - Phân tích đặc trưng cấu trúc tính chất của vật liệu.
- Thử nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ xử lý asen trong nước ngầm của vật liệu nano sắt oxit và vật liệu sắt oxit-bentonit. 2 Luan van CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1. Nƣớc ngầm và tình hình ô nhiễm 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 có sự sống. Thực tế lượng nước dự trữ trên trái đất hiếm hoi mà nhu cầu sử dụng lại lớn.
Để đáp ứng nhu cầu dùng nước con người không ngừng tìm các nguồn gốc khác nhau là nước mặt và nước ngầm. Nước mặt là nước trong ao, hồ, sông, suối. Nước sông chảy qua nhiều vùng đất khác nhau vì thế lẫn nhiều tạp chất hàm lượng cặn cao ( nhất là vào mùa lũ) có nhiều chất hữu xơ, rong tảo, vi trùng, đều bị ô nhiễm. Nguồn nước ngầm có được là do sự thẩm thấu của nước mặt, nước mưa, nước trong không khí, qua các tầng vỉ đất đá tạo nên những túi nước trong lòng đất.
Trong quá trình thẩm thấu một phần nước bị giữ lại ở các khe núi hay các lỗ xốp của các tầng đất đá tạo nên các tầng ngậm nước. Thông thường nước ngầm di chuyển qua một số lớp như: sỏi, cát thô, cát trung, cát mịn và đá vôi. Cho đến tầng không ngấm nước (đất sét và hoàng thổ). Nước ngầm có ưu điểm là tính ổn định, ít bị ô nhiễm hơn nước mặt.
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 thông qua một số chỉ tiêu của nước, qua đó có thể xác định công nghệ xử lý thích hợp tùy theo những khu vực nhất định có những điều kiện cụ thể mà cần đánh giá khảo sát cho phù hợp. Asen và độc tính của Asen Asen là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong các nguyên tố có trên bề mặt trái đất. Nó nằm ở vị trí 33 trong bảng tuần hoàn, được xem là một dạng á kim có độc tính tương tự các kim loại nặng như chì, thủy ngân.
Vỏ trái đất chỉ chứa một hàm lượng rất nhỏ asen (~0,0001%); tuy nhiên, nó lại phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Trong tự nhiên, nguyên tố asen tồn tại ở dạng nguyên chất với ba dạng hình thù (dạng α có màu vàng, dạng β có màu đen, dạng γ có màu xám). Nguyên tố asen cũng tồn tại ở một số dạng ion khác [30]. Asen thường tồn tại dưới dạng hợp chất.
Chính các hợp chất của asen mới là những chất độc cực mạnh. Các dạng hợp chất As (III) có độc tính cao hơn dạng As(V). Trong nước, asen tồn tại ở các dạng khác nhau phụ thuộc vào pH dung dịch. Dạng oxianion của As(V) có 4 dạng gồm H3AsO4, H2AsO4-, HAsO42- và AsO43- tương ứng với khoảng pH < 2; 2-7; 7-12 và > 12 [30,32] với các giá trị pKa như sau: -H+ -H+ -H+ H3AsO4 H2AsO4- pKa = 6,7 HAsO4 2- AsO43- pKa = 2,1 pKa = 11,2 3 Luan van Dạng oxianion của As(III) có 4 dạng gồm H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32- và AsO33- [27] với các giá trị pKa như sau: H3AsO3 -H+ H2AsO3- -H+ HAsO32- -H+ AsO33- pKa = 9,1 pKa = 12,1 pKa = 13,4 Asen là nguyên tố vi lượng, rất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của con người và sinh vật nhưng phải ở một mức độ nhất định.
Asen đóng vai trò trong trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin. Khi hàm lượng asen vượt quá mức cho phép (0,01mg/l đối với nước sinh hoạt, nước uống) thì chúng rất nguy hiểm. Bởi vì nó có khả năng tấn công vào các nhóm hoạt động –SH của enzim, làm cản trở hoạt động của engim: Các enzim sản sinh năng lượng của tế bào (ATP) trong chu trình của axit nitric bị ảnh hưởng rất lớn bởi sự hình thành phức của engim với As(III). Do có sự tương tự về tính chất hóa học với photpho, asen can thiệp vào một số quá trình hóa sinh làm rối loạn photpho.
Trong cơ thể, chất sinh năng lượng chủ yếu là adennozin triphotphat (ATP). Một giai đoạn quan trọng trong quá trình hình thành và phát triển của ATP là tổng hợp enzim của 1,3-diphotphoglixerat từ glixerandehit-3- photphat. Phức 1-aseno-3-photpho glixerat được tạo thành khi có mặt asen sẽ gây cản 4 Luan van trở giai đoạn này. Sự photpho hóa được thay bằng sự asen hóa, quá trình này kèm theo sự thủy phân tự nhiên tạo thành 3-photphoglixerat và asenit.
As(III) ở nồng độ cao làm đông tụ các protein là do sự tấn công liên kết của nhóm sunfua bảo toàn các cấu trúc bậc 2 và bậc 3. Như vậy, asen có 3 tác dụng hóa sinh là: làm đông tụ protein, tạo phức với enzim và phá hủy quá trình photpho hóa. Các chất chống tính độc của asen là chất có chứa nhóm –SH như 2,3- đimecaptopropanol (HS-CH2-CH(SH)-CH2OH) có khả năng tạo liên kết với As(III). Nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng cả về chất lượng và số lượng.
Trong một vài năm tới chúng ta phải đảm bảo cho 80% dân số được sử dụng nước sạch. Nguồn nước chủ yếu được khai thai thác là nước ngầm. Theo thống kê chưa đầy đủ cả nước hiện nay có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó nhiều giếng có nồng độ asen cao hơn nhiều lần nồng độ cho phép. Các dạng asen trong nước ngầm phụ thuộc vào trạng thái và tính chất của nước.
Dạng As tồn tại chủ yếu trong nước ngầm là H2AsO4- (trong môi trường pH đến gần trung tính), HAsO4- (trong môi trường kiềm). Hợp chất H3AsO+ được hình thành chủ yếu trong môi trường oxi-hóa khử yếu. Các hợp chất As hữu cơ có độ hòa tan kém hơn, đặc biệt là phức Asen-acid fulvic trong môi trường có pH trung tính và nghèo Ca. Tại những vùng trầm tích núi lửa, một số khu vực quặng phong hóa nguồn gốc nhiệt dịch, mỏ dầu – khí, mỏ than thường giàu asen.
Sự ô nhiễm asen trong môi trường nước ở Việt Nam và trên thế giới Tốc độ công nghiệp hoá, đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với môi trường nước. Môi trường nước bị ô nhiễm bởi các chất 5 Luan van vô cơ và hữu cơ. Trong số các chất ô nhiễm vô cơ, kim loại nặng gây ra nhiều tác hại nguy hiểm đối với con người và môi trường sống của động thực vật trong nước ô nhiễm. Một trong các kim loại nặng đặc biệt nguy hiểm là asen vì nó làm ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người ở nhiều nước trên thế giới.
Achentina, Mexico, Chi Lê, Mỹ, Trung Quốc, Mông Cổ, Thái Lan, Philippin, Đài Loan, Ấn Độ, Bangladet và Việt Nam là các quốc gia có sự ô nhiễm asen đáng báo động [47]. Bangladet được đánh giá là nước có mức độ ô nhiễm asen trong nước sinh hoạt cao nhất với nguy cơ gây tử vong hàng trăm nghìn người. Tại các nước phát triển, asen cũng được tìm thấy trong nước và các hoạt động công nghiệp như khai khoáng. Vụ ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Bangladet được coi là vụ ngộ độc asen lớn nhất trong lịch sử loài người.
Hiện tượng nước uống nhiễm độc asen không chỉ đe dọa người dân Bangladet; các nghiên cứu mới đây cho thấy, vấn đề này đã ảnh hưởng đến cuộc sống của người dân 17 nước trên thế giới, trong đó có nửa tỉ dân ở khu vực châu thổ sông Hằng. Năm 1991, lần đầu tiên thế giới phát hiện ra ô nhiễm asen trong nước ngầm tại Đài Loan, số người bị ảnh hưởng lên tới 100.