Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni, Mn(II) của đá ong biến tính và bước đầu thăm dò xử lý môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung của Luận văn là nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni, Mn(II) của vật liệu thu được theo phương pháp hấp phụ tĩnh (thời gian, pH, khối lượng vật liệu, nồng độ đầu, ion lạ). 4. Xử lý thử nghiệm mẫu nước chứa amoni, Mn(II) của vật liệu chế tạo được. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni, Mn(II) của đá ong biến tính và bước đầu thăm dò xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HONGLATDA TAOCHANHXAY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI, Mn(II) CỦA ĐÁ ONG BIẾN TÍNH VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DÒ XỬ LÍ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN – 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HONGLATDA TAOCHANHXAY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI, Mn(II) CỦA ĐÁ ONG BIẾN TÍNH VÀ BƯỚC ĐẦU THĂM DÒ XỬ LÍ MÔI TRƯỜNG Ngành: Hóa phân tích Mã số: 8 44 01 18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Ngô Thị Mai Việt THÁI NGUYÊN - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì công trình nào khác. Thái Nguyên, tháng 6 năm 2018 Tác giả luận văn Honglatda Taochanhxay Xác nhận của khoa chuyên môn Xác nhận của người hướng dẫn khoa học PGS. TS Ngô Thị Mai Việt i
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Hóa Phân tích và trong Khoa Hóa học, các em sinh viên làm NCKH trong Phòng Thí nghiệm Hóa Phân tích – Trường Đại học Sư Phạm – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn cô Ngô Thị Mai Việt, cô đã tận tình hướng dẫn trong quá trình em làm thực nghiệm cho đến khi em hoàn thiện luận văn. Mặc dù bản thân em đã rất cố gắng nhưng do nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan nên luận văn của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn để luận văn của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 6 năm 2018 Học viên Honglatda Taochanhxay ii
MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan ..................................................................................................................i Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii Mục lục ........................................................................................................................ iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ........................................................................iv Danh mục bảng biểu ......................................................................................................v Danh mục hình ..............................................................................................................vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 2 1.1. Giới thiệu về amoni và mangan ..............................................................................2 1.1.1. Giới thiệu về amoni và tác dụng sinh hóa của amoni ..........................................2 1.1.2. Giới thiệu về mangan và tác dụng sinh hóa của mangan ....................................3 1.2.Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm amoni và kim loại nặng ...................................4 1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia ..................................................................................5 1.3.1. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp......................................5 1.3.2. Quy chuẩn quốc gia về nồng độ amoni trong nước ăn uống và sinh hoạt ...........6 1.4. Giới thiệu một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm amoni và kim loại nặng .........................................................................................................................7 1.4.1. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm amoni .................................7 1.4.2. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng .....................8 1.5. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .......................................................................9 1.5.1. Sự hấp phụ ...........................................................................................................9 1.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ các chất tan trong dung dịch lên bề mặt chất hấp phụ ............................................................................................... 10 1.5.3. Xác định dung lượng hấp phụ cân bằng và hiệu suất hấp phụ .......................... 10 1.5.4. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ........................................................11 1.6. Phương pháp đường chuẩn ..................................................................................13 1.7. Giới thiệu về đá ong .............................................................................................. 14 1.8. Tổng quan tình hình nghiên cứu ...........................................................................14 iii
Chương 2. THỰC NGHIỆM ....................................................................................20 2.1. Thiết bị và hóa chất............................................................................................... 20 2.1.1. Thiết bị...............................................................................................................20 2.1.2. Hóa chất .............................................................................................................20 2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) từ đá ong .........................................................21 2.3. Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lý của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính ....21 2.4. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ amoni và Mn(II) theo phương pháp quang hấp thụ phân tử ..................................................................................................21 2.4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ amoni ..............................................22 2.4.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) .............................................22 2.5. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni, Mn(II) của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính ............................................................................................................................... 22 2.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni và Mn(II) của đá ong biến tính ................................................................................................................23 2.6.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni ........................... 23 2.6.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Mn(II) .......................... 25 2.7. Xử lí mẫu nước có chứa amoni và Mn(II) ............................................................ 27 2.7.1. Xử lí mẫu nước có chứa amoni ..........................................................................27 2.7.2. Xử lí mẫu nước có chứa Mn(II) .........................................................................28 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 29 3.1. Kết quả xác định một số đặc trưng hóa lý của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính .......................................................................................................................29 3.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ amoni và Mn(II) theo phương pháp quang hấp thụ phân tử ..................................................................................................31 3.2.1. Đường chuẩn xác định nồng độ amoni .............................................................. 31 3.2.2. Đường chuẩn xác định nồng độ mangan ........................................................... 32 3.3. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ amoni, Mn(II) của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính ................................................................................................................34 3.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni và Mn(II) của đá ong biến tính ................................................................................................................34 iv
3.4.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni ........................... 34 3.4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Mn(II) .......................... 41 3.5. Xử lí mẫu nước có chứa amoni và Mn(II) ............................................................ 48 3.5.1. Xử lí mẫu nước có chứa amoni ..........................................................................48 3.5.2. Xử lí mẫu nước có chứa Mn(II) .........................................................................49 KẾT LUẬN .................................................................................................................51 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................52 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Tên đầy đủ Chữ viết tắt 1 Coconut Shell-Activated Carbon CSAC 2 Intrared Spectroscopy IR 3 Part Per Million ppm 4 Sodium Dodecyl Sulfate SDS 5 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6 Titanat NanoTube (TNT) TNT 7 UltraViolet Visble UV – Vis 8 Vật liệu hấp phụ VLHP 9 X – ray Diffraction XRD iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Giá trị nồng độ của amoni và một số thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp ...................................................................................................6 Bảng 3.1. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ dung dịch amoni............31 Bảng 3.2. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ của dung dịch Mn(II) ....32 Bảng 3.3. Khả năng hấp phụ amoni, Mn(II) của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính ..............................................................................................................34 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ amoni .............................. 35 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng trên thể tích dung dịch đến khả năng hấp phụ amoni ............................................................................................. 36 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ amoni .......................................37 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ amoni của vật liệu...............................................................................................................38 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của ion Ca(II), Mg(II) đến khả năng hấp phụ amoni ...............40 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ Mn(II) .....41 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Mn(II) ........................... 43 Bảng 3.11. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Mn(II) ....................................44 Bảng 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ Mn(II) .....................45 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của ion Pb(II), Zn(II), Cu II) đến khả năng hấp phụ Mn(II) .........................................................................................................47 Bảng 3.14. Kết quả hấp phụ amoni trong mẫu nước giếng .........................................49 Bảng 3.15. Kết quả hấp phụ Mn(II) trong mẫu nước thải ...........................................49 v
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ................................................. 13 Hình 1.2. Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb ................................................................ 13 Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của đá ong tự nhiên ................................................... 29 Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của đá ong biến tính .................................................. 30 Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của đá ong tự nhiên ....................................... 30 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ của đá ong biến tính ............................................... 31 Hình 3.5. Đường chuẩn xác định nồng độ amoni ............................................... 32 Hình 3.6. Đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) .............................................. 33 Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ amoni ..................... 35 Hình 3.8. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP đến khả năng hấp phụ amoni 36 Hình 3.9. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ amoni vào pH........................ 37 Hình 3.10. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với amoni ..... 39 Hình 3.11. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của VLHP đối với amoni ............... 39 Hình 3.12. Ảnh hưởng của ion Ca(II), Mg(II) đến khả năng hấp phụ amoni..... 40 Hình 3.13. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ Mn (II) ..................................................................................................... 42 Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Mn(II) .................. 43 Hình 3.15. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ Mn(II) vào pH môi trường.. 44 Hình 3.16. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Mn(II) .... 46 Hình 3.17. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của VLHP đối với Mn(II) .............. 46 Hình 3.18. Ảnh hưởng của các ion Pb(II), Zn(II), Cu(II) đến khả năng hấp phụ Mn(II) ............................................................................................... 48 vi
MỞ ĐẦU Hiện nay, môi trường sống của con người đã và đang bị ô nhiễm. Đây là một vấn đề cấp bách của hầu hết các quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa và sự gia tăng dân số đã gây áp lực nặng nề đối với tài nguyên nước trong nhiều vùng lãnh thổ. Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải. Các nguồn nước thải nhìn chung đều chứa các ion kim loại nặng, amoni, các chất màu hữu cơ, các chất hoạt động bề mặt…. Khi các chất này vượt quá tiêu chuẩn cho phép sẽ gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe của con người và sự sống của các sinh vật. Nghiên cứu để giảm thiểu hàm lượng của các chất độc hại nói chung, amoni và các ion kim loại nói riêng có trong các nguồn nước đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Các phương pháp được sử dụng nhằm tách amoni ra khỏi nguồn nước được áp dụng rất nhiều như phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học,…. Trong đó, hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác vì vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú do các vật liệu có thể có nguồn gốc tự nhiên như đá ong, cao lanh, quặng apatit… hoặc có nguồn gốc từ phụ phẩm của ngành nông nghiệp như vỏ trấu, bẹ ngô,...; chi phí thấp, quá trình xử lí đơn giản, thân thiện với môi trường. Vì những lí do trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni, Mn(II) của đá ong biến tính và bước đầu thăm dò xử lý môi trường”. Trong đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau: 1. Chế tạo (biến tính) đá ong tự nhiên thành vật liệu hấp phụ. 2. Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lý của đá ong tự nhiên và đá ong biến tính. 3. Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni, Mn(II) của vật liệu thu được theo phương pháp hấp phụ tĩnh (thời gian, pH, khối lượng vật liệu, nồng độ đầu, ion lạ). 4. Xử lý thử nghiệm mẫu nước chứa amoni, Mn(II) của vật liệu chế tạo được. 1
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về amoni và mangan 1.1.1. Giới thiệu về amoni và tác dụng sinh hóa của amoni Ion amoni (NH4+) có cấu tạo hình tứ diện đều với bốn nguyên tử H ở đỉnh và một nguyên tử N ở trung tâm. Ion amoni có bán kính là 1,43Ǻ [20]. Trong môi trường nước, amoni có thể tồn tại ở dạng phân tử (NH3) hoặc ion (NH4+) tùy thuộc vào pH của nước. Ở dạng phân tử, amoni thường gọi - amoniac là một chất khí không màu, mùi khai và sốc, nhẹ hơn không khí. Amoniac tan khá tốt trong nước và độ tan phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ dung dịch [16]. Amoni được sử dụng chủ yếu để làm phân đạm. Nó là dạng nitơ vô cơ có giá trị đối với cây trồng, có tác dụng kích thích sinh trưởng của cây và giúp cây phát triển nhanh, cho nhiều hạt, củ hoặc quả. Trong tự nhiên amoni tồn tại một lượng nhỏ trong khí quyển do các quá trình phân hủy các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc động thực vật. Hoạt động của núi lửa cũng là nguồn sinh ra muối amoni (như amoni clorua và amoni sunfat). Nông nghiệp hiện đại là nguồn gây ô nhiễm amoni nặng nề cho nước. Việc sử dụng phân bón hóa học chứa nitơ với số lượng lớn, thành phần không hợp lý, sử dụng bừa bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ,… thông qua quá trình rửa trôi, thấm, lọc lượng nitrat hóa, amoni trong nước bề mặt và nước ngầm ngày càng lớn. Lượng amoni tự nhiên ở trong nước bề mặt và nước ngầm thường thấp hơn 0,2mg/L. Các nguồn nước hiếm khi có thể có nồng độ amoni lên đến 3,0mg/L. Amoni không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý, amoni được chuyển hóa thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại tới con người. Trong nước ngầm amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxy. Khi khai thác lên vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển amoni thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) tích tụ trong thức ăn. Khi ăn uống nước có chứa nitrit thì cơ thể sẽ thiếu máu, xanh da, gây bệnh ở đường hô hấp, gây ung thư. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên nitrisamin là nguyên nhân gây ung thư ở người [20, 29]. 2
1.1.2. Giới thiệu về mangan và tác dụng sinh hóa của mangan Mangan chiếm khoảng 0,1% trong vỏ trái đất. Mangan có mặt chủ yếu trong pyrolusit (MnO 2), psilomelan (Ba,H2O)2Mn5O10 và ít hơn trong rhodochrosit (MnCO3). Mangan thuộc nhóm VIIB trong bảng tuần hoàn, là kim loại màu trắng xám, giống sắt. Nó là kim loại cứng và rất giòn, khó nóng chảy nhưng lại bị oxi hóa dễ dàng. Trong tự nhiên, mangan bao gồm một đồng vị bền là: 55 Mn và 18 đồng vị phóng xạ khác. Mangan được khai thác chủ yếu ở Nam Phi, Úc, Trung Quốc, Brasil, Gabon, Ukraine, Ấn Độ, Ghana và Kazakhstan. Mangan có vai trò quan trọng trong sản xuất thép (vì có tác dụng khử lưu huỳnh, khử oxi và mang những đặc tính của hợp kim) và đặc biệt là thép chống gỉ. Nó còn được thêm vào dầu hỏa để giảm tiếng nổ lọc xọc cho động cơ. Mangan đioxit được sử dụng trong pin khô, hoặc làm chất xúc tác. Mangan được dùng để tẩy màu thủy tinh (loại bỏ màu xanh lục do sắt tạo ra), hoặc tạo màu tím cho thủy tinh. Mangan oxit là một chất nhuộm màu nâu, dùng để chế tạo sơn và là thành phần của màu nâu đen tự nhiên. Kali pemanganat là chất ôxi hóa mạnh, dùng làm chất tẩy uế trong hóa học và y khoa. Photphat hóa mangan là phương pháp chống rỉ và ăn mòn cho thép nó thường hay được dùng để sản xuất tiền xu. Ngoài ra, mangan và các hợp chất của nó còn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất gốm, thủy tinh, sơn…[20]. Mangan là nguyên tố đóng vai trò thiết yếu trong tất cả các dạng sống. Nó có vai trò quan trọng trong một số quá trình sinh lý như là thành phần của một số enzyme, chất hoạt hóa enzyme khác. Ngoài ra, mangan còn có vai trò kích hoạt các enzyme trong quá trình chuyển hóa cacbohyđrat, amino axit và cholesterol. Mangan là nguyên tố cần thiết có liên quan tới sự sinh sản, sự phát triển của xương, cảm giác giữ thăng bằng, sự hoạt động của não, sự tổng hợp của cholesterol, việc điều chỉnh nồng độ glucose trong máu, sự đông máu (phối hợp với vitamin K),…. Thức ăn cho trẻ em nếu thiếu mangan thì hàm lượng enzyme phophataza trong máu và xương sẽ bị giảm xuống nên ảnh hưởng đến cốt hóa của xương, có thể gây biến dạng xương,…. Thiếu mangan có thể gây rối loạn về hệ thần kinh như bại liệt, co giật,…. Nếu lượng mangan hấp thu vào cơ thể cao có thể gây độc với phổi, hệ thần kinh, thận và tim mạch [28]. 3
1.2.Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm amoni và kim loại nặng Ô nhiễm nước là sự thay đổi theo chiều xấu các tính chất vật lý, hóa học, sinh học của nước, với sự xuất hiện các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho nguồn nước trở nên độc hại với sinh vật. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến trình trạng nhiễm bẩn amoni trong nước ngầm nhưng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử dụng quá mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước, hoặc do quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ và các chất trên càng làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nước ngầm. Ngoài ra mức độ ô nhiễm còn phụ thuộc vào loại hình canh tác của từng khu vực. Khu vực bị ô nhiễm amoni trong nước ngầm nặng nề nhất trong cả nước là khu vực đồng bằng Bắc Bộ. Theo kết quả khảo sát của trung tâm nghiên cứu thuộc trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia và trường Đại Học Mỏ - Địa Chất thì phần lớn nước ngầm khu vực đồng bằng Bắc Bộ gồm các tỉnh như: Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình và phía nam Hà Nội đều bị nhiễm bẩn amoni rất nặng. Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nước sinh hoạt khoảng 70 – 80% [17, 29]. Ô nhiễm amoni trong các nguồn nước mặt (ao, hồ, sông ...) cũng đang là vấn đề cần được giải quyết. Kết quả công bố của Viện Nước và Công nghệ Môi trường cho thấy: “Amoni trong nguồn nước sông Sài Gòn không hề có dấu hiệu giảm và biến động theo từng khu vực. Có thời điểm nồng độ amoni vượt tiêu chuẩn hơn 20 lần. Theo nhóm nghiên cứu, amoni tăng do nước từ sông rạch và từ các nguồn thải công nghiệp, chăn nuôi đưa vào. Cụ thể nguồn thải từ trại heo Tân Trung (Củ Chi) với tải lượng ô nhiễm 1,25kg amoni/ngày đêm. Từ rạch Bà Bếp cũng thải gần 16kg amoni/ngày đêm. Lâm Minh Triết (2006) cũng có nhận xét: “Lượng amoni trong nước thải từ khu dân cư và từ các nhà máy hoá chất, chế biến thực phẩm, sữa có thể lên tới 10 - 100mg/L” [16]. Tình trạng ô nhiễm amoni cao, chẳng những gây ô nhiễm môi trường không khí và gây mất cảnh quan cho dân cư sống xung quanh sông Sài gòn, mà còn gây khó khăn, tăng cao kinh phí cho việc xử lý nước mặt làm nguồn nước cấp cho sinh hoạt; thậm chí có thể dẫn đến việc đóng cửa nhà máy nước Tân Hiệp, nơi cung cấp nước cho sạch cho hàng triệu người dân tại các quận huyện: 6, 7, 8, Tân Bình, Tân Phú, Bình Tân, Gò 4
Vấp, Nhà Bè, Bình Chánh... (theo lời ông Bùi Thanh Giang, giám đốc Nhà máy nước Tân Hiệp) [16, 27]. Như vậy so với QCVN 01:2009/BYT và quy định số 1329/2002/BYT về tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống của Bộ Y Tế cho hàm lượng N-amoni, các con số trên cho thấy một thực tế chung là nhiều nguồn nước ở Việt nam đang ô nhiễm amoni một cách nghiêm trọng. Hầu hết các kim loại nặng tồn tại trong nước ở dạng ion. Chúng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó chủ yếu là từ các hoạt động công nghiệp. Khác với các chất thải hữu cơ có thể phân hủy trong đa số trường hợp, các kim loại nặng khi đã phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâu dài. Chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng. Kim loại nặng là các nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể người nhưng khi chúng tồn tại ở dạng ion và với nồng độ lớn, khi đi vào cơ thể người thì chúng lại có độc tính cao [7]. Cụ thể, ở tỉnh Thái Bình: Hàm lượng kim loại mangan (Mn) trong mẫu nước biển ven bờ dao động trong khoảng 0,05 - 0,27mg/L, trung bình 0,13mg/L. Vào mùa khô dao động trong khoảng 0,034 - 0,6mg/L, trung bình 0,2mg/L. Tại một số khu vực quan trắc được cho thấy nồng độ mangan đã vượt ngưỡng cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam (QCVN 10:2008/BTNMT) từ 1,1 - 2,7 lần [11]. Để hạn chế tình trạng ô nhiễm nguồn nước từ nước thải của các ngành công nghiệp, Nhà nước đã ban hành Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp. Theo đó, nước thải của các nhà máy và cơ sở sản xuất phải đạt giới hạn cho phép mới được thải ra môi trường. 1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia 1.3.1. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT) do Ban soạn thảo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước biên soạn thay thế QCVN 24:2009/BTNMT. Tổng cục Môi trường, Vụ khoa học và Công nghệ, Vụ pháp chế trình duyệt và được ban hành theo thông tư số 47/2011/TT-BTNMT ngày 28 tháng 12 năm 2011 của Bộ trưởng bộ Tài nguyên và Môi trường [24]. Giá trị nồng độ của amoni, Mn(II) và một số thông số ô nhiễm khác trong nước thải công nghiệp được trình bày trong bảng 1.1. 5
Bảng 1.1. Giá trị nồng độ của amoni và một số thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp Giá trị nồng độ TT Thông số Đơn vị A B 1 Amoni mg/L 5,00 10,00 2 Magan mg/L 0,50 1,00 3 Chì mg/L 0,10 0,50 4 Cadimi mg/L 0,05 0,10 5 Crom (VI) mg/L 0,05 0,10 6 Crom (III) mg/L 0,20 1,00 7 Đồng mg/L 2,00 2,00 8 Kẽm mg/L 3,00 3,00 9 Niken mg/L 0,20 0,50 Trong đó: - Cột A quy định giá trị nồng độ của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. - Cột B quy định giá trị nồng độ của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. 1.3.2. Quy chuẩn quốc gia về nồng độ amoni trong nước ăn uống và sinh hoạt Theo QCVN 02:2009/BYT do Cục Y tế dự phòng và Môi trường biên soạn và được Bộ trưởng Bộ Y tế ban hành theo Thông tư số: 05/2009/TT – BYT ngày 17 tháng 06 năm 2009 quy định hàm lượng amoni trong nước sinh hoạt ở cả mức I và mức II không vượt quá 3,0mg/L [23]. 6
1.4. Giới thiệu một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm amoni và kim loại nặng 1.4.1. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm amoni Một số phương pháp thường được dùng để xử lý nguồn nước bị ô nhiễm amoni là: nhóm các Phương pháp hóa lý, nhóm các Phương pháp hóa học và Phương pháp sinh học. 1.4.1.1. Phương pháp hóa lý  Phương pháp hấp phụ Sử dụng các chất có khả năng hấp phụ như than hoạt tính, các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên (quặng apatit, đá ong, cao lanh,…) hoặc các vật liệu được chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, bẹ chuối, lõi ngô,…) để hấp phụ ion kim loại nặng và amoni có trong nguồn nước bị ô nhiễm [29].  Phương pháp trao đổi ion Trao đổi ion là quá trình hóa lý sử dụng việc trao đổi ion trong nước để loại bỏ các cation hoặc anion, đáp ứng yêu cầu của quá trình xử lý nước. Khi loại bỏ ion kim loại nặng và amoni người ta sử dụng vật liệu trao đổi ion là vật liệu cationit. Trong đó, zeolit tự nhiên và tổng hợp là một trong những vật liệu cationit tốt nhất để tách loại amoni [29]. 1.4.1.2. Phương pháp hóa học Phương pháp Clo hóa Hiện nay, trên thế giới đã nghiên cứu rất kỹ về biện pháp clo hóa để xử lý amoni trong nước thải. Phương trình phản ứng tổng hợp của phương pháp: 3Cl2 + 2NH4+ → N2 + 8H+ + 6Cl- 4Cl2 + NH4+ + 3H2O → NO3- + 10H+ + 8Cl- Sau khi các quá trình xảy ra thì môi trường axit của dung dịch được trung hòa bằng cách thêm vào một lượng kiềm . 7
 Phương pháp thổi khí cưỡng bức Để xử lý amoni bằng phương pháp thổi khí cưỡng bức cần phải điều chỉnh pH của môi trường lên cao để chuyển NH4+ về dạng NH3, sau đó thổi khí mạnh hoặc đưa vào thiết bị cyclon để tách pha và loại NH3 ra khỏi dung dịch [29]. 1.4.1.3. Phương pháp sinh học Phương pháp Anammox Anammox (Anaerobic ammonium oxidation) là quá trình oxi hóa amoni yếm khí, trong đó amoni và nitrit được oxi hóa một cách trực tiếp thành khí N2 dưới điều kiện yếm khí, với amoni là chất cho điện tử còn nitrit là chất nhận điện tử để tạo thành khí N2. Sản phẩm chính của quá trình Anammox là N2, tuy nhiên khoảng 10% nitơ đưa vào được chuyển thành nitrat [17]. 1.4.2. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 1.4.2.1. Phương pháp trao đổi ion Trao đổi ion là một trong những phương pháp thường được dùng để tách kim loại nặng từ nước thải. Nhựa trao đổi ion có thể tổng hợp từ hợp chất vô cơ hay hợp chất hữu cơ có gắn các nhóm như: (-SO3H), (-COO-), amin. Các cation và anion được hấp phụ trên bề mặt nhựa trao đổi ion. Khi nhựa trao đổi ion đã bão hòa, người ta khôi phục lại cationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch bazơ loãng. Về mặt kĩ thuật thì hầu hết kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion, nhưng phương pháp này thường tốn kém. 1.4.2.2. Phương pháp kết tủa Phương pháp này thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới dạng hiđroxit kim loại rất ít tan. Ngoài ra, còn có thể sử dụng các chất tạo kết tủa như xút, vôi, cacbonat, sunfua,.... Tuy nhiên phương pháp này chỉ là quá trình xử lý sơ bộ, đòi hỏi những quá trình xử lý tiếp theo. 1.4.2.3. Phương pháp hấp phụ So với các phương pháp xử lí nước thải khác, phương pháp hấp phụ có các đặc tính ưu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên và các phế thải nông nghiệp sẵn có, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí thấp, đặc biệt, các vật liệu hấp phụ này có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành thấp, hiệu quả cao. 8
1.5. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 1.5.1. Sự hấp phụ Sự hấp phụ là quá trình tích lũy vật chất lên bề mặt phân cách pha (khí – lỏng, khí – rắn, lỏng – rắn, lỏng – lỏng). Chất hấp phụ là những chất có bề mặt tiếp xúc lớn mà trên đó xảy ra quá trình hấp phụ. Chất hấp phụ là chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ. Khả năng hấp phụ của mỗi chất tùy thuộc vào bản chất, diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ, nhiệt độ, pH và bản chất của chất tan [3]. Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mà người ta chia sự hấp phụ thành hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học. - Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Van de van giữa các phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ. Liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ. Hấp phụ hóa học được coi là trung gian giữa hấp phụ vật lý và phản ứng hóa học. Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, người ta đưa ra một số tiêu chuẩn như sau: - Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hay đa lớp, còn hấp phụ hóa học chỉ là đơn lớp. - Nhiệt lượng hấp phụ: đối với hấp phụ vật lý lượng nhiệt tỏa ra là 2 ÷ 6 kcal/mol, đối với hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22kcal/mol. - Nhiệt độ hấp phụ: hấp phụ vật lý thường xảy ra ở nhiệt độ thấp (gần nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụ), hấp phụ hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi. - Tốc độ hấp phụ: hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy ra nhanh, ngược lại hấp phụ hóa học xảy ra chậm hơn. - Tính đặc thù: hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học bề mặt còn hấp phụ hóa học đòi hỏi phải có ái lực hóa học, do đó phải mang tính đặc thù rõ rệt. Tuy nhiên, trong thực tế, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hóa học tăng lên. Ngược lại với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ, đó là quá trình giải phóng chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ [21, 22]. 9
1.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ các chất tan trong dung dịch lên bề mặt chất hấp phụ - Ảnh hưởng của dung môi: hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh, nghĩa là chất tan hấp phụ càng mạnh thì dung môi hấp phụ càng yếu. Vì chất hoạt động bề mặt là chất có sức căng bề mặt nhỏ, cho nên nếu dung môi có sức căng bề mặt càng lớn (tức là càng khó hấp phụ) thì chất tan càng khó hấp phụ. Vì vậy đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch thì dung môi nước (có sức căng bề mặt lớn) sẽ tốt hơn so với dung môi hữu cơ (có sức căng bề mặt bé). - Ảnh hưởng của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ: thông thường các chất phân cực dễ hấp phụ trên bề mặt phân cực, còn chất không phân cực dễ hấp phụ trên bề mặt không phân cực. Khi giảm kích thước của mao quản trong chất hấp phụ thì sự hấp phụ từ dung dịch thường tăng lên nhưng chỉ trong chừng mực kích thước mao quản không cản trở sự đi vào của phân tử chất bị hấp phụ. Dung lượng hấp phụ cũng phụ thuộc vào diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ. Diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ càng lớn thì phần tiếp xúc giữa chất tan và chất hấp phụ càng lớn, chất tan lưu lại trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều. Như vậy, độ xốp và diện tích bề mặt của chất hấp phụ là các yếu tố vật lí quan trọng của quá trình hấp phụ. - Ảnh hưởng của nhiệt độ: khi tăng nhiệt độ, sự hấp phụ trong dung dịch giảm, nhưng thường ở mức độ ít hơn so với sự hấp phụ khí. Tuy nhiên, đối với cấu tử hòa tan hạn chế mà khi tăng nhiệt độ độ tan tăng lên, thì khả năng hấp phụ cũng có thể tăng lên, vì nồng độ của nó trong dung dịch tăng lên. 1.5.3. Xác định dung lượng hấp phụ cân bằng và hiệu suất hấp phụ 1.5.3.1. Dung lượng hấp phụ cân bằng Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: (Co  Ccb ) q .V (1.1) m 10