Luận án: Tổng hợp vật liệu nano Fe-Mn-Ti-Nd oxit xử lý asen trong nước sinh hoạt

MỞ ĐẦU Hiện nay, nhu cầu sử dụng nguồn nước sạch cho mục đích sinh hoạt của con người ngày càng lớn. Đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch đang là vấn đề thách thức đối với toàn thế giới. Thiếu nước sạch không chỉ là mối lo ngại của một quốc gia mà còn là vấn đề toàn cầu. Vấn đề này không chỉ ở các nước Châu Phi, các vùng sa mạc hóa, mà ngay cả các vùng có nguồn nước do các con sông chảy qua cũng thiếu nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt của con người.

Sự ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, do sự phát triển của công nghiệp phát ra các nguồn khí thải ô nhiễm, nước thải, chất thải rắn nguy hại và các hoạt động khai thác khoáng sản của con người gây ra. Sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm các kim loại nặng độc hại, đặc biệt là asen ảnh hưởng xấu đến chất lượng cuộc sống của con người. Ở Việt Nam hiện nay, nguồn cung cấp nước sinh hoạt chủ yếu là nước ngầm. Nguồn nước ngầm ở một số tỉnh thành như: Hà Nam, Hưng Yên, Vĩnh Phúc Long An, An Giang, Hà Tĩnh… thường chứa các kim loại nặng độc hại như sắt, mangan, asen.

Con người sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm lâu ngày là một trong các nguyên nhân gây ra các bệnh hiểm nghèo như: bệnh về da, mắt, các dịch bệnh lây qua nguồn nước và đặc biệt là asen gây ra các bệnh ung thư xương, thận, gan… Để loại bỏ các kim loại nặng độc hại ra khỏi nguồn nước, thường sử dụng các phương pháp hóa học, hóa – hóa lý như: kết tủa, trao đổi ion, màng lọc, phương pháp oxi hóa, hấp phụ… Hiện nay, phương pháp phổ biến được dùng để xử lý loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi nguồn nước là phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu hấp phụ, đặc biệt là vật liệu nano. Phương pháp hấp phụ có sử dụng vật liệu nano cho hiệu quả cao tại các vùng nông thôn có nguồn nước bị ô nhiễm, chưa có các nhà máy xử lý nước tập trung, do thiết bị hấp phụ nhỏ gọn, dễ vận hành và đầu tư không lớn. Việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nano oxit kim loại để hấp phụ asen được nhiều nhà khoa học quan tâm do những đặc tính ưu việt của chúng. Vật liệu oxit riêng rẽ sắt, oxit mangan, oxit titan và oxit đất hiếm đã được nghiên cứu sử dụng để loại bỏ asen.

Tuy nhiên, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nano oxit hỗn hợp hấp phụ asen, nhằm kết hợp được các đặc tính ưu việt của từng 1 đơn oxit cần được quan tâm. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp một số oxit hỗn hợp chứa Fe (hệ Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd) kích thước nanomet ứng dụng để xử lý Asen trong nước sinh hoạt” được thực hiện với các nội dung chính: Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd có kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel polyvinyl ancol và nghiên cứu khả năng hấp phụ của chúng đối với asen trong nước sinh hoạt. Tổng quan tình hình ô nhiễm nước trên thế giới 1. Sự tồn tại của asen Asen tồn tại ở các trạng thái oxi hóa -3, 0, +3 và +5.

Trong môi trường nước, asen tồn tại ở các dạng như axit asenơ (H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32-), axit asenic (H3AsO4, H2AsO4-, HAsO42-), asenic (AsO33-), asenat (AsO43-), axit monomethyasonic [CH3AsO(OH)2], axit dimethyasinic [(CH3)2AsOOH] và khí asin (AsH3)… Các dạng tồn tại của As(V) phụ thuộc vào pH của nguồn nước, trong môi trường pH < 2 asen tồn tại ở dạng H3AsO4, ở môi trường 2 < pH < 6,9 asen tồn tại ở dạng H2AsO4-, ở môi trường 6,9 < pH < 9,2 asen tồn tại ở dạng HAsO42- và khi pH > 9,2 asen tồn tại ở dạng AsO43-. Hợp chất H3AsO3 tồn tại chủ yếu trong môi trường oxi hóa khử yếu. Asen và các hợp chất của asen là những chất cực độc, độc tính của asen giảm dần theo thứ tự monomethyasonic [CH3AsO(OH)2] [As(III)] > As(III) > As(V) > axit dimethyasinic [(CH3)2AsOOH] [As(V)] > [CH3AsO(OH)2] [As(V)] [1, 2]. Asen đi vào trong cơ thể con người do tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp sẽ tích lũy dần trong cơ thể, khi đạt đến nồng độ nhất định sẽ gây ra một số bệnh hiểm nghèo như ung thư da, ưng thư xương, gan, thận… 1.

Tình hình ô nhiễm asen trên thế giới Sự ô nhiễm asen trong nguồn nước đang là một trong những mối quan tâm hàng đầu của một số quốc gia trên thế giới như Bangladet, Ấn độ, Trung Quốc, Thái Lan, Campuchia, Mỹ, Việt Nam… Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) giới hạn cho phép sự có mặt asen trong nước sinh hoạt là 0,01 mg/l. Nguồn nước ngầm có nồng độ asen rất lớn từ 0,5 – 5000 µg/l được tìm thấy trên 70 quốc gia trên thế giới. Nồng độ asen trong nước ngầm của các quốc gia trên thế giới được thể hiện ở Bảng 1. Nồng độ asen trong nước ngầm của một số nơi trên thế giới [3] Nồng độ asen trong nước TT Địa điểm (µg/l) 1 Pampa, Cordoba (Achentina) 100 – 3810 2 Cordoba (Achentina) > 100 3 Băngladet < 10 – > 1000 4 Carcuta (Ấn Độ) < 50 – 23.080 5 Phía Tây Bengal (Ấn Độ) 3 – 3700 6 Chile 470 – 770 7 Fukuoka (Nhật Bản) 0,001 – 0,293 8 Hà Nội (Việt Nam) 1 – 3050 9 Hungary 1 – 174 10 Khu tự trị Nội Mông (Trung Quốc) 1 – 2400 11 Sơn Tây (Trung Quốc) 0,03 – 1,41 12 Tân Cương (Trung Quốc) 0,005 – 850 13 Laguna (Mexico) 8 – 624 14 Khu vực sông Mêkông (Campuchia) 1 – 1340 15 Nakhon Si Thammarat (Thái Lan) 1,25 – 5114 16 Ropibol (Thái Lan) 1 – 5000 17 Nepal 8 – 2660 18 Peru 500 10 Rumani 1 - 176 20 Phía Tây Nam (Phần Lan) 17 - 980 21 Phía Tây (Mỹ) 1 – 48.1 nhận thấy có rất nhiều quốc gia có nguồn nước bị nhiễm asen, với một số lượng lớn người dân đang tiếp xúc với nguồn nước bị nhiễm asen có nồng độ lớn hơn 50 µg/l, đặc biệt là người dân ở các nước đang phát triển ở châu Á trong đó 4 có Việt Nam.

Quá trình tiếp xúc và sử dụng nguồn nước nhiễm asen đang đe dọa tính mạng của hàng triệu người dân của nước ở khu vực Đông Nam Á. Do vậy, cần phải có giải pháp xử lý loại bỏ asen ra khỏi nguồn nước sinh hoạt, nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân. Tình hình ô nhiễm asen trong nguồn nước ngầm tại Việt Nam Việt Nam là quốc gia có nguồn nước mặt và nước ngầm phong phú về trữ lượng và chất lượng. Tuy nhiên, tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa khá nhanh, sự tăng dân số đã và đang gây ô nhiễm môi trường nước.

Sự ô nhiễm môi trường nước đang ngày càng lớn bởi các chất thải vô cơ và hữu cơ do các nhà máy thải ra và chất thải sinh hoạt của con người. Trong số các chất ô nhiễm vô cơ, các kim loại nặng là các chất gây ảnh hưởng lớn đến đời sống và sức khỏe của con người, đặc biệt là sự có mặt của asen trong nước. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ như Hà Nội, Bắc Ninh, Nam Định, Ninh Bình, Hà Nam, Vĩnh Phúc, Hưng Yên đều có nguồn nước bị ô nhiễm asen vượt mức cho phép đối với nước sử dụng cho mục đích sinh hoạt (giới hạn cho phép < 0,01 mg/l theo QCVN 01/2009/BYT [4]. Các tỉnh thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long như An Giang, Cần Thơ, Sóc Trăng, Bến Tre, Vĩnh Long, Tiền Giang có nơi có nồng độ asen > 0,05 mg/l [5].

Các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh cũng có nhiều nơi bị nhiễm asen, nồng độ asen có nơi đạt 0,5 mg/l. Hiện nay, các vùng đô thị có nhà máy xử lý nước sạch tập trung, còn lại các vùng nông thôn chưa có điều kiện để xây dựng các nhà máy xử lý nước tập trung. Hệ thống xử lý nước chủ yếu là do tự chế tạo, sử dụng cát lọc loại bỏ sắt, chưa xử lý asen. Một số vùng còn sử dụng nguồn nước cấp phục vụ mục đích sinh hoạt là nước mặt của các con sông chảy qua.

Nguồn nước này không ổn định, chứa nhiều tạp chất, có thể chứa các chất bảo vệ thực vật do hoạt động sản xuất nông nghiệp gây ra. Một số vùng sử dụng nguồn nước mưa cho mục định sinh hoạt, nguồn nước này phụ thuộc nhiều vào thời tiết, chất lượng nước không được đảm bảo, do sự ô nhiễm không khí ngày càng tăng. Do vậy, hàng ngày có hàng triệu người dân đang tiếp xúc, sử dụng các nguồn nước ô nhiễm phục vụ cho mục đích sinh hoạt. Đây là thực trạng đáng báo động, cần có biện pháp xử lý để loại bỏ asen khỏi nguồn nước sinh hoạt.

Các phương pháp loại bỏ asen ra khỏi nguồn nước Có nhiều phương pháp để loại bỏ asen trong môi trường nước. Phương pháp áp dụng phải kết hợp được tính khả thi, hiệu quả và dễ dàng sử dụng. Trong tự nhiên asen tồn tại ở 2 dạng là asenat và asenit. Asenit tồn tại ở pH trung tính [6, 7], do vậy asenit cần được oxi hóa thành asenat hấp phụ tốt trên các vật liệu hấp phụ để hiệu suất loại bỏ asen cao hơn.

Công nghệ loại bỏ asen đạt chất lượng nước mong muốn cần có thiết bị đơn giản, chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng thấp, an toàn và được người dân chấp nhận. Các phương pháp phổ biến loại bỏ asen là phương pháp keo tụ kết hợp với lọc loại bỏ asen, phương pháp oxi hóa kết tủa, phương pháp màng, phương pháp trao đổi ion, phương pháp hấp phụ bề mặt [8, 9]. Ngoài những phương pháp sử dụng rộng rãi trên còn có phương pháp sinh học [10]. Sau đây giới thiệu một phương pháp loại bỏ asen trên.

Phương pháp keo tụ Phương pháp keo tụ là phương pháp loại bỏ asen bằng cách sử dụng các muối keo tụ với asen, sau đó sa lắng và cuối cùng là quá trình lọc làm sạch nước. Keo tụ là quá trình các hạt keo lấy các tạp chất ra khỏi nguồn nước [11]. Quá trình đồng kết tủa với asen bằng cách tạo phức với các muối nhôm (sắt) clorit (hydroxit) hoặc với nưới vôi. Hydroxit sắt vô định hình và hydroxit nhôm là sản phẩm kết tủa từ các muối nhôm (sắt) clorit hoặc các muối nhôm (sắt) sunfat.

Trong khi các hydroxit Ca(OH)2 hoặc Mg(OH)2 được hình thành từ nước vôi trong quá trình xử lý. Sự hình thành các sản phẩm không tan tạo điều kiện cho quá trình loại bỏ asen từ môi trường nước bằng cách sa lắng và lọc [12, 13].