MỞ ĐẦU Kinh tế Việt Nam hiện nay so với nhiều năm trƣớc đã có nhiều chuyển biến, đời sống của ngƣời dân đã đƣợc nâng lên đáng kể.Theo Viện Kiến trúc Quy hoạch (Bộ Xây dựng), tính đến thời điểm tháng 2/2011, Việt Nam hiện có 256 khu công nghiệp và 20 khu kinh tế đã đƣợc thành lập. Bên cạnh việc phát triển kinh tế, con ngƣời đã quan tâm hơn tới vấn đề bảo vệ môi trƣờng. Tuy nhiên, hoạt động này chỉ dừng lại ở một mức độ nhất định, đặc biệt vấn đề xử lý chất thải ở các khu công nghiệp. Nguyên nhân chủ yếu là do lƣợng khu công nghiệp lớn và thƣờng xuyên xả chất thải không qua xử lý hoặc xử lý chƣa triệt để ra môi trƣờng.
Lƣợng chất thải này bao gồm nhiều thành phần nhƣ vô cơ, hữu cơvà đặc biệt là kim loại nặng. Một phần kim loại nặng này nằm trong nƣớc thải, chúng xâm nhập và gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc. Phần còn lại tích lũy trong đất, đi vào chuỗi thức ăn và gây ảnh hƣởng tới sức khỏe con ngƣời và sinh vật sống. Việt Nam là một trong 5 nƣớc sẽ chịu ảnh hƣởng nghiêm trọng của biến đổi khí hậu và nƣớc biển dâng.
Theo tính toán của các chuyên gia nghiên cứu biến đối khí hậu, đến năm 2100, nhiệt độ trung bình ở Việt Nam có thể tăng lên 30ºC và mực nƣớc biển có thể dâng cao 1m. Theo đó, khoảng 40 nghìn km2 đồng bằng ven biển Việt Nam sẽ bị ngập. Nƣớc biển dâng cao hơn sẽ làm cho nhiều vùng đồng bằng nƣớc ngọt hiện nay trở thành vùng nƣớc lợ, hàng triệu ngƣời sẽ có nguy cơ bị mất chỗ ở, từ đó làm gia tăng sức ép lên sự phát triển của các vùng lân cận, làm thay đổi chế độ thủy văn dòng chảy và gây áp lực đến 90% diện tích ngập nƣớc. Vì vậy, tiết kiệm nguồn nƣớc ngọt đang là vấn đề cần thiết đƣợc đặt ra vào thời điểm này.
Đƣợc nghiên cứu lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1959 bởi nhà vật lý học ngƣời Mỹ Richard Feynman, song chỉ bắt đầu thu đƣợc thành quả trong vòng 2 thập kỷ trở lại đây, công nghệ nano đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với khoa học nhân loại. Với rất nhiều triển vọng ứng dụng, những hạt phân tử nano với kích thƣớc bé nhỏ 1nm=10-9m đã mở đƣờng cho một xu hƣớng phát triển mới của tƣơng lai. Công nghệ nano hứa hẹn sẽ mang lại cho y học một bƣớc tiến vƣợt bậc. Đó là sự ra đời của những rôbốt siêu nhỏ có thể đi sâu vào trong cơ thể, đến từng tế bào để hàn Luận văn Thạc sĩ khoa học 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì gắn, chữa bệnh cho các mô xƣơng bị gãy và thậm chí là tiêu diệt những virut gây bệnh đang ở trong cơ thể.
Công nghệ nano cũng đƣợc ứng dụng trong điều trị ung thƣ và trong các xét nghiệm chuẩn đoán bệnh. Các nhà khoa học Mỹ đã đƣa ra ý tƣởng về việc ứng dụng công nghệ nano làm thay đổi vật liệu bằng cách tác động vào nồng độ nguyên tử của chúng. Cách làm này giúp các nhà khoa học tạo ra các pin mặt trời với hiệu quả khai thác năng lƣợng lớn gấp 5 lần so với loại pin mặt trời truyền thống làm từ silicon hiện nay. Ngoài ra công nghệ nano còn đƣợc ứng dụng trong làm sạch môi trƣờng.
Một trong những ứng dụng của công nghệ nano đó là dùng để chế tạo các thiết bị, chẳng hạn nhƣ các lƣới lọc nƣớc nano với cấu tạo đủ rộng để cho các phân tử nƣớc đi qua, song cũng đủ hẹp để ngăn chặn các phân tử chất bẩn gây ô nhiễm. Đặc biệt, công nghệ này cũng đƣợc đánh giá là sạch (ít gây ô nhiễm) và hiệu quả hơn trong các công nghệ hiện tại. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã tiến hành xây dựng luận văn với đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sắt nano để xử lý nước ô nhiễm crôm và chì”. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm các nội dung sau: - Nghiên cứu quá trình chế tạo sắt nano và nano lƣỡng kim.
- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý nƣớc thải ô nhiễm crôm và chì bằng sắt nano và nano lƣỡng kim. - Ứng dụng sắt nano và nano lƣỡng kim vào xử lý nƣớc thải Khu công nghiệp Phố Nối A. Luận văn đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp thực nghiệm tại Phòng phân tích môi trƣờng, Bộ môn Thổ nhƣỡng và Môi trƣờng đất, Khoa Môi trƣờng, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Luận văn Thạc sĩ khoa học 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
Tổng quan về crom và chì 1. Nguồn gốc, tính chất hóa lý, các dạng tồn tại của crom và chì 1. Crom Tính chất vật lý Crom nguồn gốc tự nhiên là sự hợp thành của 3 đồng vị ổn định; 52Cr, 53Cr và 54Cr với 52Cr là phổ biến nhất (83,789%). Là kim loại cứng, màu xám thép với độ bóng cao.
Là chất không mùi, không vị và dễ rèn. Cr có nhiệt độ nóng chảy là 1875ºC; nhiệt độ sôi là 2197ºC. Tính chất hóa học Crom thuộc chu kì 4, nhóm VIB. Khối lƣợng phân tử là 51,9661 đvC, là nguyên tố có số thứ tự 24 trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
Các trạng thái oxi hóa phổ biến của Cr là +2, +3 và +6 trong đó Cr(+3) là ổn định nhất. Ngoài ra trong các hợp chất crom còn có các số oxi hóa là +1; +4 và +5 nhƣng khá hiếm. Các hợp chất của Cr ở trạng thái oxi hóa +6 là những chất có tính oxi hóa mạnh. Trong không khí, Cr đƣợc oxy thụ động hóa, tạo thành một lớp mỏng oxit bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn quá trình oxi hóa xảy ra tiếp.
Crom không phản ứng trực tiếp với hơi H2O do có lớp oxit bảo vệ. Ở điều kiện thƣờng không phản ứng với O2, nhƣng khi đốt cháy trong không khí tạo thành Cr2O3. Ở nhiệt độ cao, Cr phản ứng với các halogen. Crom thụ động trong axit HNO3 đặc nguội, H2SO4 đặc nguội.
Crom tan trong dung dịch kiềm, tác dụng với muối của những kim loại có thế tiêu chuẩn cao hơn tạo thành muối Cr(II). Các hợp chất quan trọng của Crom Hợp chất Cr(III) Trong hệ thống chứa nƣớc, Cr(III) có thể ở dạng Cr3+, Cr(OH)2+ và Cr(OH)4─. Ngoài ra, trong giai đoạn kết tủa Cr(OH)3 chiếm ƣu thế ở pH từ 612 [49]. Trong điều Luận văn Thạc sĩ khoa học 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì kiện axit và kiềm nhẹ, có Fe(II), Cr(III) có thể kết tủa nhƣ một hỗn hợp hydroxit vô định hình Crx Fe1─x(OH)3 [28].3H2O hay Cr2O3 trong các điều kiện khác nhau [47].
Trong môi trƣờng khử và trong trƣờng hợp không có Fe, Cr(III) kết tủa dễ dàng tạo thành Cr(OH)3. Trong môi trƣờng Eh tƣơng đối thấp, dung dịch chứa Cr(III) chủ yếu ở dạng Cr3+, Cr(OH)2+, Cr(OH)3 và Cr(OH)4─ [49] Dạng Cr3+ phổ biến ở pH<4, khi pH tăng Cr3+ bị thuỷ phân thành Cr(OH)2+ (thƣờng trong nƣớc ngầm tại pH từ 68, nhƣng cũng có tại một số vùng nƣớc có tính axit), Cr(OH)30 và Cr(OH)4─(chủ yếu trong nƣớc ngầm có tính kiềm)[49]. Những dạng kết hợp nhƣ Cr2(OH)24+, Cr3(OH)45+ và Cr4(OH)66+ không có vai trò trong tự nhiên. Sự hấp phụ Cr(III) bởi axit humic làm cho nó không bị hòa tan, cố định và không phản ứng, quá trình này hiệu quả nhất trong phạm vi pH từ 2,7 đến 4,5 [35].
Ngƣợc lại, axit fulvic và axit citric tạo với Cr(III) thành hợp chất phức hoà tan, kiểm soát quá trình oxi hóa của nó đến Cr(VI) trong đất [17] [18]. Chỉ có một hợp chất Cr(III) Cr2O3 là có khả năng oxy hoá, vì vậy oxy là trung tâm trong quá trình oxy hoá – khử Cr [36]. Trong nƣớc ngầm ở pH >4, nồng độ Cr(III) bị hạn chế và làm giảm khả năng hoà tan. Đó là lý do tại sao Cr(III) thƣờng chiếm tỷ lệ % nhỏ trong tổng nồng độ Cr trong tự nhiên hoặc nƣớc bị ô nhiễm.
Cr(III) có xu hƣớng ổn định trong hầu hết nƣớc ngầm vì chúng có tính hoà tan thấp. Hợp chất Cr(VI) Cr(VI) tồn tại trong thành phần của một số hợp chất. Luận văn Thạc sĩ khoa học 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì Trong điều kiện oxy hoá dung dịch Cr, Cr(VI) ở dạng anion HCrO4─ hoặc CrO42─, phụ thuộc vào pH (CrO42─ ở pH cao hơn). Trong điều kiện pH bình thƣờng của nƣớc (từ 6 8) dạng ion CrO42─, HCrO4─ hoặc Cr2O72─ là chủ yếu.
Ở nồng độ tƣơng đối cao của Cr(VI), ion Cr2O72─ chiếm ƣu thế ở môi trƣờng axit [50]. Hàm lƣợng tƣơng đối của các dạng Cr(VI) phụ thuộc và pH và tổng nồng độ Cr(VI) [47] Ví dụ: - Hàm lƣợng đáng kể của H2CrO40 chỉ có trong điều kiện pH =1; - pH ≥ 6 CrO42─ chiếm ƣu thế [23]; - pH < 6 HCrO4─ là chủ yếu khi hàm lƣợng Cr(VI) tƣơng đối thấp; - Hàm lƣợng Cr(VI) tăng thì Cr2O72─ chiếm chủ yếu [47]. Những dạng này tạo thành những hợp chất Cr(VI), chúng có tính hoà tan mạnh và do đó di động trong môi trƣờng [37]. Chúng có khả năng hoà tan khác nhau và có xu hƣớng đƣợc hấp phụ bởi đất hoặc vật liệu tầng ngậm nƣớc [21].
Khả năng hoà tan của Cr(VI) trong nƣớc ngầm là không hạn chế. Ion cromat CrO42─và ion dicromat Cr2O72─ hoà tan trong nƣớc ở tất cả các độ pH. Tuy nhiên, cromat có thể tồn tại nhƣ một muối không hoà tan của một loại cation hoá trị 2 nhƣ Ba2+, Sr2+, Pb2+, Zn2+. Tốc độ của phản ứng kết tủa/hoà tan giữa cromat, ion dicromat và những cation khác phụ thuộc rất nhiều vào độ pH.
Các phản ứng hoà tan là một phần quan trọng trong việc đánh giá tác động môi trƣờng của Cr bởi vì Cr(VI) thƣờng đi vào môi trƣờng đất bằng cách hoà tan muối cromat (Ví dụ SrCrO4) [49]. Luận văn Thạc sĩ khoa học 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm crom và chì Hấp phụ của Cr(III) và Cr(VI) : Bề mặt oxit Fe và Al sẽ hấp phụ các ion cromat CrO42─ ở pH có tính axit và trung tính. Hấp phụ của Cr(VI) trong nƣớc ngầm bằng vật liệu phù sa tầng ngậm nƣớc là do các oxit Fe và hydroxit phủ lên các hạt phù sa [25].