Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm bằng vật liệu zeolit biến tính đioxít mangan mno2

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm bằng vật liệu zeolit biến tính đioxít mangan mno2, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn

• Tác giả: Vũ Minh Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Văn Quy
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm bằng vật liệu zeolit biến tính đioxít mangan (MnO2)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về Asen
• 1.2. Giới thiệu chung
• 1.3. Tính chất vật lý và hoá học
• 1.4. Độc tính của As
• 1.5. Hiện trạng ô nhiễm As trên thế giới và tại Việt Nam
• 1.6. Các biện pháp xử lý As trong nước ngầm
• 1.7. Phương pháp ôxi hoá
• 1.8. Keo tụ - kết tủa
• 1.9. Trao đổi ion
• 1.10. Các phương pháp lọc
• 1.11. Tổng quan về vật liệu zeolit biến tính MnO2
• 1.12. Vật liệu zeolit biến tính điôxit mangan
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp thu thập tài liệu
• 2.4. Phương pháp tổng hợp, chế tạo vật liệu
• 2.5. Phương pháp nghiên cứu đặc tính vật liệu. Khảo sát khả năng hấp phụ As của vật liệu
• 2.6. Phương pháp phân tích
• 2.7. Phương pháp tổng hợp và xử lý số liệu
• 2.8. Thử nghiệm khả năng xử lý As trong nước ngầm của vật liệu điều chế
• 2.9. Dụng cụ, thiết bị và hoá chất sử dụng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả điều chế vật liệu
• 3.2. Điều chế zeolit từ tro bay
• 3.3. Đặc tính của vật liệu
• 3.4. Khả năng hấp phụ As của vật liệu điều chế
• 3.5. Thời gian đạt hấp phụ cân bằng
• 3.6. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng hấp phụ
• 3.7. Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu MZ
• 3.8. Thử nghiệm khả năng xử lý As trong nước ngầm của vật liệu điều chế
• 3.9. Đề xuất mô hình thiết bị lọc sử dụng vật liệu MZ quy mô hộ gia đình
• KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về xử lý asen trong nước ngầm bằng zeolit MnO2

Xử lý asen trong nước ngầm là một vấn đề cấp bách hiện nay, đặc biệt tại Việt Nam. Nước ngầm là nguồn nước chính cho sinh hoạt của nhiều cộng đồng, nhưng ô nhiễm asen đang gây ra nhiều nguy cơ cho sức khỏe con người. Zeolit biến tính MnO2 đã được nghiên cứu như một giải pháp tiềm năng để loại bỏ asen hiệu quả. Vật liệu này không chỉ có khả năng hấp phụ tốt mà còn dễ dàng chế tạo từ các nguồn nguyên liệu sẵn có.

1.1. Giới thiệu về asen và tác động của nó đến sức khỏe

Asen (As) là một nguyên tố độc hại, có thể gây ra nhiều bệnh tật nghiêm trọng cho con người. Nhiễm độc asen có thể dẫn đến các vấn đề về da, hô hấp, và thậm chí ung thư. Theo thống kê, khoảng 21% dân số Việt Nam đang sử dụng nước nhiễm asen vượt mức cho phép, đặc biệt là ở các vùng nông thôn.

1.2. Tình trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm tại Việt Nam

Ô nhiễm asen trong nước ngầm tại Việt Nam chủ yếu tập trung ở đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long. Nhiều nghiên cứu cho thấy nồng độ asen trong nước ngầm tại các khu vực này vượt quá tiêu chuẩn cho phép, gây ra mối đe dọa lớn cho sức khỏe cộng đồng.

II. Vấn đề và thách thức trong xử lý asen trong nước ngầm

Việc xử lý asen trong nước ngầm gặp nhiều thách thức, bao gồm sự đa dạng về nồng độ asen và các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Các phương pháp hiện tại như hấp phụ, trao đổi ion, và kết tủa đều có những ưu nhược điểm riêng. Cần có những giải pháp mới, hiệu quả và kinh tế hơn để giải quyết vấn đề này.

2.1. Các phương pháp xử lý asen hiện tại và hạn chế của chúng

Các phương pháp xử lý asen như hấp phụ và trao đổi ion thường gặp khó khăn trong việc đạt hiệu quả cao trong điều kiện thực tế. Hơn nữa, chi phí và tính khả thi của các phương pháp này cũng là một vấn đề cần được xem xét.

2.2. Tác động của môi trường đến hiệu quả xử lý asen

Nồng độ pH, nhiệt độ và các ion khác trong nước ngầm có thể ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ asen của các vật liệu. Do đó, việc nghiên cứu các yếu tố này là rất quan trọng để tối ưu hóa quy trình xử lý.

III. Phương pháp xử lý asen bằng zeolit biến tính MnO2

Zeolit biến tính MnO2 đã được chứng minh là một vật liệu hấp phụ hiệu quả cho asen trong nước ngầm. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn tiết kiệm chi phí, giúp cải thiện chất lượng nước một cách hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy zeolit biến tính có khả năng hấp phụ asen cao hơn so với các vật liệu truyền thống.

3.1. Quy trình chế tạo zeolit biến tính MnO2

Quy trình chế tạo zeolit biến tính MnO2 bao gồm các bước như tổng hợp zeolit từ tro bay và biến tính bằng MnO2. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc biến tính này giúp tăng cường khả năng hấp phụ asen của vật liệu.

3.2. Khả năng hấp phụ asen của zeolit biến tính

Nghiên cứu cho thấy zeolit biến tính MnO2 có khả năng hấp phụ asen cao, với dung lượng hấp phụ tối đa đạt được trong các điều kiện tối ưu. Điều này mở ra triển vọng cho việc ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước ngầm nhiễm asen.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy zeolit biến tính MnO2 có thể được ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước ngầm nhiễm asen. Các thử nghiệm thực địa đã chỉ ra rằng vật liệu này có thể giảm nồng độ asen trong nước xuống dưới mức cho phép, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

4.1. Thử nghiệm khả năng xử lý asen trong nước ngầm thực tế

Các thử nghiệm đã được thực hiện tại nhiều địa điểm khác nhau, cho thấy zeolit biến tính MnO2 có khả năng loại bỏ asen hiệu quả. Kết quả cho thấy nồng độ asen trong nước giảm đáng kể sau khi xử lý.

4.2. Đề xuất mô hình thiết bị lọc sử dụng zeolit biến tính

Mô hình thiết bị lọc sử dụng zeolit biến tính MnO2 đã được đề xuất cho quy mô hộ gia đình. Mô hình này không chỉ đơn giản mà còn tiết kiệm chi phí, giúp người dân dễ dàng tiếp cận nguồn nước sạch.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu xử lý asen

Nghiên cứu về xử lý asen trong nước ngầm bằng zeolit biến tính MnO2 mở ra nhiều triển vọng cho việc cải thiện chất lượng nước. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để nâng cao hiệu quả xử lý, đồng thời đảm bảo tính bền vững và kinh tế cho các giải pháp này.

5.1. Tương lai của nghiên cứu và ứng dụng zeolit trong xử lý nước

Nghiên cứu về zeolit biến tính MnO2 cần được mở rộng để khám phá thêm các ứng dụng khác trong xử lý nước và môi trường. Việc phát triển các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý asen và các chất ô nhiễm khác.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần có các nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hấp phụ của zeolit biến tính MnO2 đối với asen, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng của vật liệu này trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm asen (As) trong nước ngầm là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng trên toàn cầu, đặc biệt tại các vùng nông thôn Việt Nam. Theo thống kê của Bộ Y tế, tính đến năm 2010, khoảng 21% dân số Việt Nam sử dụng nguồn nước ngầm có nồng độ asen vượt mức cho phép, với khu vực đồng bằng sông Hồng là điểm nóng ô nhiễm. Nồng độ asen trong nước ngầm tại đây dao động từ dưới 0,1 đến 810 µg/L, trong đó 27% mẫu nước vượt tiêu chuẩn 10 µg/L của WHO, tương đương khoảng 3 triệu người đang sử dụng nước nhiễm asen trên mức an toàn. Tình trạng này gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng như ung thư da, tổn thương thần kinh và các bệnh mãn tính khác.

Mục tiêu nghiên cứu là điều chế vật liệu zeolit biến tính đioxít mangan (MnO2) từ tro bay để xử lý asen trong nước ngầm, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ asen của vật liệu, thử nghiệm xử lý nước ngầm thực tế tại Hà Nội và đề xuất mô hình thiết bị lọc quy mô hộ gia đình. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn 2010-2012 tại khu vực đồng bằng sông Hồng, với ý nghĩa nâng cao hiệu quả xử lý asen, giảm thiểu nguy cơ sức khỏe cho người dân và góp phần phát triển công nghệ xử lý nước sạch kinh tế, bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: cơ chế hấp phụ và trao đổi ion của zeolit, cùng với tính oxi hóa và hấp phụ của MnO2 đối với asen. Zeolit là khoáng chất aluminosilicat có cấu trúc tinh thể ba chiều với lỗ xốp đặc biệt, cho phép hấp phụ chọn lọc các phân tử dựa trên kích thước và điện tích. Zeolit có khả năng trao đổi ion nhờ các cation bù trừ điện tích âm trong cấu trúc AlO4, giúp hấp phụ các anion như asenat (As(V)).

MnO2 là oxit kim loại có tính oxi hóa mạnh, có khả năng oxi hóa nhanh asenit (As(III)) thành asenat (As(V)) và hấp phụ hiệu quả asen trên bề mặt. Sự kết hợp zeolit và MnO2 tạo ra vật liệu biến tính có ưu điểm hấp phụ cao, khả năng xử lý asen trong khoảng pH rộng (4-9), vượt trội so với nhiều vật liệu khác.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm: hấp phụ chọn lọc, trao đổi ion và oxi hóa khử asen trong dung dịch. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ asen trên vật liệu biến tính.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu gồm tro bay lấy từ Nhà máy nhiệt điện Phả Lại (Hải Dương), mẫu nước ngầm nhiễm asen tại xã Đông La và An Khánh (Hà Nội), cùng các dung dịch chuẩn asen trong phòng thí nghiệm. Vật liệu zeolit được điều chế từ tro bay qua quá trình thủy nhiệt với NaOH 6M ở 180°C trong 24 giờ, sau đó biến tính bằng dung dịch MnCl2 và NaOH, nung ở 500°C và sấy khô.

Phân tích cấu trúc vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Khảo sát độ bền của Mn trong vật liệu biến tính qua thí nghiệm hòa tan ở các mức pH khác nhau. Khảo sát khả năng hấp phụ asen qua các thí nghiệm biến đổi thời gian, pH, nồng độ asen ban đầu, áp dụng mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich để xác định dung lượng hấp phụ cực đại.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ 2010 đến 2012, với các bước tổng hợp vật liệu, thí nghiệm hấp phụ trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm xử lý nước ngầm thực tế. Phân tích số liệu sử dụng các bảng biểu và đồ thị để đánh giá hiệu quả xử lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều chế vật liệu zeolit từ tro bay: Tro bay chứa chủ yếu SiO2 (53,2%) và Al2O3 (24,4%). Sau xử lý thủy nhiệt với NaOH, vật liệu zeolit thu được có pha tinh thể Sodium Aluminum Silicate Hydroxide Hydrate chiếm 37,77%, với cấu trúc tinh thể ổn định.

2. Biến tính zeolit với MnO2: Quá trình nung biến tính tạo ra pha Mn2O3 (Bixbyite) chiếm 50% trong vật liệu biến tính, giảm hàm lượng zeolit còn 15,11%. Mn2O3 có khả năng oxi hóa As(III) thành As(V) nhanh chóng, giúp loại bỏ bước oxi hóa trong xử lý asen.

3. Khả năng hấp phụ asen: Vật liệu biến tính MZ đạt dung lượng hấp phụ cực đại khoảng 2,5 µg/g với nồng độ asen ban đầu 50 µg/L, hiệu quả hấp phụ vượt gấp 6 lần so với zeolit chưa biến tính. Thời gian hấp phụ cân bằng là khoảng 60 phút. Hiệu suất hấp phụ đạt trên 90% trong khoảng pH từ 4 đến 9, cho thấy vật liệu có tính ổn định và hiệu quả trong điều kiện môi trường rộng.

4. Thử nghiệm xử lý nước ngầm thực tế: Ở tỷ lệ vật liệu/thể tích nước 2g/100mL, nồng độ asen trong mẫu nước ngầm giảm từ mức ban đầu vượt tiêu chuẩn (trên 50 µg/L) xuống dưới 10 µg/L sau 120 phút xử lý, đáp ứng quy chuẩn Việt Nam QCVN 09:2008/BTNMT.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu zeolit biến tính MnO2 có khả năng hấp phụ và loại bỏ asen hiệu quả nhờ sự kết hợp giữa cơ chế trao đổi ion của zeolit và tính oxi hóa hấp phụ của MnO2. Việc chuyển hóa Mn(II) thành Mn(III) trong quá trình nung tạo ra pha Mn2O3 ổn định, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý. So với các nghiên cứu trước đây, dung lượng hấp phụ và phạm vi pH hoạt động của vật liệu này vượt trội, đồng thời thời gian hấp phụ cân bằng ngắn hơn nhiều.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ theo thời gian, biểu đồ ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ và bảng so sánh dung lượng hấp phụ với các vật liệu khác. Kết quả phù hợp với mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich, cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra trên bề mặt vật liệu với sự tương tác đa dạng.

Nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu zeolit biến tính MnO2 trong xử lý nước ngầm nhiễm asen, đặc biệt phù hợp với điều kiện kinh tế và môi trường Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình sản xuất vật liệu MZ quy mô công nghiệp: Tối ưu hóa điều kiện biến tính và nung để nâng cao hiệu suất hấp phụ, giảm chi phí sản xuất. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác thực hiện.

2. Ứng dụng mô hình thiết bị lọc nước ngầm quy mô hộ gia đình: Thiết kế cột lọc sử dụng vật liệu MZ với tỷ lệ vật liệu/thể tích nước phù hợp, đảm bảo xử lý asen đạt chuẩn trong vòng 2 giờ. Chủ thể thực hiện là các tổ chức môi trường và chính quyền địa phương, triển khai trong 1 năm.

3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình tập huấn về nguy cơ asen và cách sử dụng thiết bị lọc nước hiệu quả, nhằm tăng cường sự chấp nhận và sử dụng rộng rãi. Thời gian triển khai liên tục, ưu tiên các vùng ô nhiễm nặng.

4. Nghiên cứu mở rộng xử lý các kim loại nặng khác: Khai thác khả năng hấp phụ của vật liệu MZ đối với các chất ô nhiễm khác như chì, thủy ngân để đa dạng hóa ứng dụng. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, do các viện nghiên cứu môi trường thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Nắm bắt kiến thức về vật liệu hấp phụ mới, phương pháp điều chế và ứng dụng xử lý asen trong nước ngầm.

2. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn và chương trình xử lý nước sạch tại các vùng ô nhiễm asen.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu lọc nước: Áp dụng công nghệ điều chế vật liệu zeolit biến tính MnO2 để phát triển sản phẩm lọc nước hiệu quả, kinh tế.

4. Cộng đồng dân cư tại vùng ô nhiễm asen: Hiểu rõ nguy cơ và giải pháp xử lý nước ngầm, từ đó chủ động sử dụng thiết bị lọc nước phù hợp để bảo vệ sức khỏe.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu zeolit biến tính MnO2 có ưu điểm gì so với các vật liệu khác?
   Vật liệu này kết hợp khả năng trao đổi ion của zeolit và tính oxi hóa hấp phụ của MnO2, cho hiệu quả xử lý asen cao trong khoảng pH rộng (4-9), dung lượng hấp phụ lớn và thời gian hấp phụ cân bằng nhanh, phù hợp với điều kiện nước ngầm Việt Nam.

2. Thời gian hấp phụ asen bằng vật liệu MZ là bao lâu?
   Thí nghiệm cho thấy thời gian hấp phụ cân bằng đạt khoảng 60 phút, giúp xử lý nhanh và hiệu quả trong thực tế.

3. Vật liệu này có thể xử lý được dạng asen nào trong nước?
   MnO2 oxi hóa nhanh asenit (As(III)) thành asenat (As(V)) và hấp phụ cả hai dạng, giúp loại bỏ asen hiệu quả mà không cần bước oxi hóa riêng biệt.

4. Có thể áp dụng vật liệu này cho quy mô hộ gia đình không?
   Có, nghiên cứu đã đề xuất mô hình cột lọc quy mô hộ gia đình với tỷ lệ vật liệu/thể tích nước phù hợp, xử lý nước ngầm nhiễm asen đạt chuẩn trong thời gian ngắn.

5. Vật liệu có bền vững và an toàn khi sử dụng lâu dài không?
   Thí nghiệm khảo sát độ bền của Mn trong vật liệu ở các mức pH khác nhau cho thấy vật liệu ổn định, không giải phóng Mn ra môi trường, đảm bảo an toàn khi sử dụng lâu dài.

Kết luận

• Đã điều chế thành công vật liệu zeolit biến tính MnO2 từ tro bay với cấu trúc tinh thể ổn định và pha Mn2O3 chiếm ưu thế.
• Vật liệu có khả năng hấp phụ asen cao, dung lượng hấp phụ gấp 6 lần so với zeolit chưa biến tính, hiệu quả trong khoảng pH rộng 4-9.
• Thời gian hấp phụ cân bằng khoảng 60 phút, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước ngầm thực tế.
• Thử nghiệm xử lý nước ngầm tại Hà Nội cho kết quả giảm nồng độ asen xuống dưới tiêu chuẩn cho phép.
• Đề xuất mô hình thiết bị lọc quy mô hộ gia đình và các giải pháp ứng dụng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất vật liệu, thử nghiệm thực địa và phát triển sản phẩm lọc nước thương mại. Các tổ chức nghiên cứu, doanh nghiệp và chính quyền địa phương nên phối hợp để đưa công nghệ vào ứng dụng thực tế, góp phần cải thiện chất lượng nước sinh hoạt và sức khỏe người dân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ô nhiễm nước đang là vấn đề nóng bỏng và là mối quan tâm hàng đầu trên thế giới hiện nay. Các chất ô nhiễm có thể tồn tại trong nước ở cả hai dạng tan hoặc không tan như các chất hữu cơ, các hợp chất của nitơ, kim loại nặng,. Tại Việt Nam, nước ngầm được sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt chính của nhiều cộng đồng dân cư. Sự có mặt của asen trong nước ngầm tại nhiều khu vực, nhất là vùng nông thôn tại Việt Nam đã và đang gây ra những nguy cơ cho sức khỏe con người.

Theo thống kê của Bộ Y tế, tính đến năm 2010, hiện có 21% dân số Việt Nam đang dùng nguồn nước nhiễm asen vượt quá mức cho phép và tình trạng nhiễm độc asen ngày càng rõ rệt và nặng nề trong dân cư, đặc biệt ở khu vực đồng bằng sông Hồng. Vì vậy cần phải tìm ra những giải pháp nhằm loại bỏ asen khỏi nguồn nước ngầm để bảo vệ sức khỏe của người dân. Hiện nay, trên thế giới và ở Việt Nam đã và đang áp dụng nhiều phương pháp xử lý asen như: hấp phụ, trao đổi ion, kết tủa, lắng lọc, thẩm thấu ngược, điện thẩm tích,. Trong đó có nhiều công trình đã thành công trong việc sử dụng các vật liệu mới như đá ong biến tính, nano cacbon,.

Các phương pháp trên đều có những ưu, nhược điểm và hiệu quả xử lý asen khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp hấp phụ đang được sử dụng rộng rãi vì tính kinh tế và hiệu quả của nó. Zeolit là loại khoáng chất aluminosilicat ở trạng thái tinh thể hiđrat hoá, thường được sử dụng làm chất xúc tác có hoạt tính và độ chọn lọc cao trong công nghiệp lọc - hoá dầu. Ngoài ra zeolit còn là một chất hấp phụ rất tốt, vì vậy nó còn được dùng nhiều vào mục đích xử lý các chất ô nhiễm.

Tuy nhiên để có thể vận dụng vật liệu này vào thực tế cần tìm kiếm điều chế zeolit từ những loại vật liệu có sẵn, rẻ tiền như tro bay, khoáng sét,…Thời gian gần đây, các ôxít kim loại, trong đó có MnO2 là vật liệu hấp phụ cũng được nghiên cứu. Trong tự nhiên MnO2 tồn tại ở dạng quặng và có trữ lượng khá dồi dào ở Việt Nam. Vì thế triển vọng kết hợp hai loại vật liệu này thành một loại vật liệu có khả năng hấp phụ tốt kim loại nặng trong nước là rất khả quan. Vũ Minh Thắng 1 Đại học KHTN – ĐHQHGN TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc sĩ 2012 Hiện nay, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu zeolit biến tính đioxít mangan (MnO2) để xử lý asen trong nước ngầm mới chỉ bước đầu được nghiên cứu ở trên thế giới, chưa có nhiều các số liệu công bố cũng như các nghiên cứu ứng dụng thực tế.

Vì vậy, việc chọn đề tài ―Nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm bằng vật liệu zeolit biến tính đioxít mangan (MnO2)‖ nhằm điều chế vật liệu mới ứng dụng trong xử lý Asen. Nội dung nghiên cứu bao gồm: - Chế tạo vật liệu zeolit biến tính MnO2 có khả năng xử lý hiệu quả asen trong nước ngầm; - Khảo sát các yếu tố (thời gian, pH, nồng độ ban đầu) ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ asen của vật liệu zeolit biến tính MnO2 đã điều chế được; - Thử nghiệm khả năng xử lý As trong mẫu nước ngầm thực tế tại Hà Nội trên vật liệu chế tạo được; - Đề xuất mô hình xử lý nước ngầm nhiễm As quy mô hộ gia đình. Vũ Minh Thắng 2 Đại học KHTN – ĐHQHGN TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc sĩ 2012 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN 1. Tổng quan về Asen 1.

Giới thiệu chung Asen (As) là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong vỏ trái đất, thứ 14 trong nước biển và thứ 12 trong cơ thể con người [18]. As là nguyên tố hóa học thuộc phân nhóm chính nhóm V trong bảng Hệ thống tuần hoàn Mendeleep. As có thể tồn tại trong hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ với bốn mức hóa trị là: -3, 0, +3 và +5. Trong nước tự nhiên, As tồn tại chủ yếu ở 2 dạng hợp chất vô cơ là asenat [As(V)], asenit [As(III)].

As(V) là dạng tồn tại chủ yếu của As trong nước bề mặt và As(III) là dạng chủ yếu của As trong nước ngầm. Tính chất vật lý và hoá học  Tính chất vật lý As dạng nguyên tố (hóa trị 0) không tan trong nước và rất hiếm gặp ở trạng thái tự do. Nguyên tố As có một số dạng thù hình: Phi kim loại và kim loại. Dạng phi kim loại của As được hình thành khi làm ngưng tụ hơi tạo nên chất rắn màu vàng gọi là As vàng.

As vàng có mạng lưới lập phương, gồm những phần tử As4 liên kết với nhau bằng lực Vanderwall, tan trong CS2 cho dung dịch gồm những phần tử tứ diện As4. As vàng kém bền, ở nhiệt độ thường nó chuyển sang dạng kim loại. Dạng kim loại của As có màu bạc trắng, là chất dạng polyme có mạng lưới nguyên tử, mỗi nguyên tử As liên kết với 3 nguyên tử As bao quanh bằng liên kết As-As. Nó có khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt nhưng giòn, dễ nghiền thành bột, không tan trong CS2.

Hơi As cũng gồm những phân tử tứ diện As4, có mùi tỏi, rất độc. Phân tử As4 bắt đầu phân hủy ở 13250C và phân hủy hoàn toàn ở 17000C [2,5,11,34].  Tính chất hoá học Trong không khí, As bị oxi hóa trên bề mặt, khi đun nóng tạo thành oxit: 4As + 3O2 → 2As2O3 Ở dạng bột nhỏ, As bốc cháy trong khí clo tạo thành asen triclorua: Vũ Minh Thắng 3 Đại học KHTN – ĐHQHGN TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc sĩ 2012 2As + 3Cl2 → 2AsCl3 Khi đun nóng, As tương tác với brom, iot, lưu huỳnh. As tạo nên các asenua với các kim loại kiềm, kiềm thổ và một số kim loại khác và tạo hợp kim với các kim loại còn lại.

Có thế điện cực dương, As không tan trong dung dịch axit clohidric nhưng tan trong dung dịch axit nitric, tạo ra asenic H3AsO4: 3As + 5HNO3 + 2H2O → 3H3AsO4 + 5NO As có thể tan trong kiềm nóng chảy giải phóng khí H2: 2As + 6NaOH → 2Na3AsO3 + 3H2  Dạng tồn tại của As Ở trạng thái tự nhiên As tồn tại nhiều dạng hợp chất khác nhau nhưng dạng gây ngộ độc và ảnh hưởng tới con người nhiều nhất là As(III) như Asen(III) florua (AsF3); Asen(III) clorua (AsCl3); Asen(III) bromua (AsBr3); As(V) clorua (AsCl5); Asen(V) florua (AsF5); Asen(III) oxit (As2O3); Asen(V) oxit (As2O5); Asen(III) sunfua (As2S3); Asen(V) sunfua (As2S5). Trong môi trường oxi hoá và thoáng khí, dạng tồn tại chủ yếu của As trong nước và đất là asenat. As có thể bền với một dãy các oxi -anion: H3AsO4, H2AsO4, HAsO42- và AsO43-. Dưới điều kiện khử và ngập nước (<200 mV), asenit là dạng tồn tại chính của As.

Các dạng tồn tại của As(III) phụ thuộc pH [40] Vũ Minh Thắng 4 Đại học KHTN – ĐHQHGN TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc sĩ 2012 Hình 2. Các dạng tồn tại của As(V) phụ thuộc pH Tốc độ chuyển hoá phụ thuộc vào thế oxi hoá khử Eh và pH của môi trường và các nhân tố vật lý, hoá học, sinh học khác. Trong môi trường trung tính, asenat tồn tại chủ yếu ở dạng H2AsO4- và HAsO42- , còn asenit tồn tại chủ yếu ở dạng axit không phân ly H3AsO3. Độc tính của As Nhiễm độc As đã được xác định là một vấn đề mang tính cộng đồng.

Về ngắn hạn, tiếp xúc với As có thể gây ra các vấn đề đến da, hô hấp, tiêu hóa và tim mạch, gây đột biến và ung thư, có tác động đến hệ thống miễn dịch. As có vai trò trong trao đổi nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin. As ảnh hưởng đến thực vật như một chất cản trở trao đổi chất, làm giảm mạnh năng suất, đặc biệt trong môi trường thiếu photpho. Độc tính của các hợp chất As đối với sinh vật dưới nước tăng dần theo dãy As → asenat → asenit → hợp chất As hữu cơ.

Độc tính của As liên quan đến sự hấp thụ và thời gian lưu của nó trong cơ thể. Liều lượng gây chết của As (LD50) đối với con người là 1–4 mg/kg trọng lượng [24]. As xâm nhập vào cơ thể bằng tất cả các con đường như hít thở, ăn uống và thẩm thấu qua da. As đi vào cơ thể người thông qua chuỗi thức ăn trong một ngày đêm khoảng 25-50µg, qua bụi không khí 1,4µg, các đường khác 0,04–1,4µg [3].

Trong đó, uống nước nhiễm As là con đường xâm nhập chính. Khi vào cơ thể, As (III) ngay lập tức tấn công vào các enzim có chứa nhóm –SH và cản trở hoạt động của chúng [17]. Vũ Minh Thắng 5 Đại học KHTN – ĐHQHGN TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc sĩ 2012 Asenat dễ kết tủa với các kim loại và ít độc tính hơn so với dạng asenit. Khi vào cơ thể, asenat thế chỗ của photphat (ATP), do đó ATP sẽ không được tạo thành.

Một số bệnh do nhiễm độc As Do mức độ độc hại của As, năm 1993, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã đề nghị hạ mức tiêu chuẩn của As trong nước uống từ 50µg/L xuống 10µg/L. Năm 2001 Tổ chức Bảo vệ Môi trường Mỹ (US EPA) đã thực hiện tiêu chuẩn mới này. Bộ Y tế Việt Nam cũng đã đưa ra quyết định số 1329/2002/BYT/QĐ về giảm lượng cho phép của As trong nước uống từ 50µg/L xuống 10µg/L [1]. Theo QCVN 09:2008/BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường, nồng độ As cho phép trong nước ngầm là 0,05 mg/l [3,7].

Nhiễm độc As được chia làm hai dạng: nhiễm độc cấp tính và nhiễm độc mãn tính. Nhiễm độc cấp tính Qua đường tiêu hóa: các triệu chứng nhiễm độc như đau bụng, nôn, bỏng, khô miệng, tiêu chảy nhiều và cơ thể bị mất nước…. Bệnh có thể dẫn tới tử vong trong vòng 12-18 giờ. Một tác động đặc trưng khi bị nhiễm độc As dạng hợp chất vô cơ qua miệng là sự xuất hiện các vết màu đen và sáng trên da.

Vũ Minh Thắng 6 Đại học KHTN – ĐHQHGN TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc sĩ 2012 Qua đường hô hấp: (hít thở không khí có bụi, khói hoặc hơi As) các triệu chứng như ho, khó thở, nhức đầu, chóng mặt. Ngoài ra còn có các tổn thương về mắt như: viêm da mí mắt, viêm kết mạc. Nhiễm độc mãn tính As được xếp vào nhóm các chất gây ung thư (chất độc loại I) với rất nhiều bằng chứng thực nghiệm từ nghiên cứu dịch tễ học của người. Phơi nhiễm As với hàm lượng thấp nhưng trong thời gian dài gây nên các bệnh gọi là hội chứng As (arsenicosis).