nghiên cứu chế tạo vật liệu oxit nano la2o3 để hấp phụ asen

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM








CAO THỊ HỒNG PHÚC







NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
OXIT NANO La
2
O
3
ĐỂ HẤP PHỤ ASEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC
















Thái Nguyên, năm 2013


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM







CAO THỊ HỒNG PHÚC






NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
OXIT NANO La
2
O
3
ĐỂ HẤP PHỤ ASEN



Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 60.44.01.13

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC








Ngƣờ i hƣớ ng dẫ n khoa họ c: PGS.TS. Lƣu Minh Đại









Thái Nguyên, năm 2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Lƣu Minh Đại
người hướng dẫn, giúp đỡ tận tình, tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành
luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Khoa Học Vật Liệu, các
anh, chị em trong phòng Vật Liệu Vô Cơ – Viện Khoa Học Vật Liệu – Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô giáo trong trường Đại học Sư
phạm Thái Nguyên đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong
quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, người thân trong gia
đình đã luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu.

Tác giả luận văn


Cao Thị Hồng Phúc











Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn là công trình nghiên cứu của
tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Lưu Minh Đại. Các số liệu và kết quả nêu

trong luận văn là hoàn toàn trung thực.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN


Cao Thị Hồng Phúc





Xác nhận
của khoa chuyên môn
Xác nhận
của ngƣời hƣớng dẫn khoa học




PGS.TS. Lƣu Minh Đại






Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC
Trang

Lời cảm ơn i
Lời cam đoan ii
Mục lục iii
Danh mục các bảng iv
Danh mục các hình v
MỞ ĐẦU 1

Chƣơng 1: TỔNG QUAN 2

1.1. Tài nguyên nước và sự ô nhiễm môi trường nước 2

1.1.1. Tài nguyên nước 2

1.1.2. Nguồn nước ngầm 2

1.1.3. Sự ô nhiễm môi trường nước 4

1.1.4. Tác hại của asen đối với con người 6

1.2. Một số công nghệ xử lý nước nhiễm asen 12

1.2.1. Phương pháp trao đổi ion 12

1.2.2. Phương pháp oxi hóa 13

1.2.3. Phương pháp hấp phụ 14

1.2.3.1. Khái niệm 14

1.2.3.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 14

1.2.3.4. Phương trình động học hấp phụ 16

1.2.3.5. Một số công nghệ xử lý nước nhiễm Asen 17

1.3. Lựa chọn phương pháp loại bỏ asen 19

1.4. Công nghệ nano 22

1.4.1. Vật liệu nano 22

1.4.1.1. Giới thiệu về vật liệu nano 22

1.4.1.2. Một số ứng dụng của vật liệu nano 23

1.4.2. Một số phương pháp tổng hợp oxit nano 23

1.4.2.1. Phương pháp gốm truyền thống 23


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.4.2.2. Phương pháp đồng tạo phức 24

1.4.2.3. Phương pháp đồng kết tủa 24

1.4.2.4. Phương pháp sol - gel 25

1.4.2.5. Tổng hợp đốt cháy gel polyme 25

Chƣơng 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 27

2.1. Thiết bị, hóa chất 27

2.1.1. Thiết bị 27

2.1.2. Hóa chất 27

2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu 27

2.2.1. Phương pháp đốt cháy gel chế tạo oxit La
2
O
3
kích thước nanomet 27

2.2.2. Chế tạo vật liệu oxit nano La
2
O
3
trên cát thạch anh 28

2.3. Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu 28

2.3.1. Các phương pháp phân tích 28

2.3.1.1. Phương pháp phân tích nhiệt 29

2.3.1.2. Phương pháp nhiễu xạ rơnghen 29

2.3.1.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện
tử truyền qua (TEM) 30

2.3.1.4. Phương pháp đo diện tích bề mặt BET 30

2.3.1.5. Phương pháp phổ hồng ngoại 31

2.3.1.6. Phương pháp xác định điểm điện tích không của vật liệu 31

2.3.2. Các phương pháp xác định hàm lượng kim loại asen trong nước 31

2.3.2.1. Phương pháp phát xạ nguyên tử ICP-AES 31

2.3.2.2. Phương pháp test xác định asen 31

2.4. Nghiên cứu hấp phụ theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir 32

2.5. Quá trình hấp phụ tĩnh 33

Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1. Vật liệu oxit La
2
O
3
kích thước nanomet 34

3.1.1. Tổng hợp vật liệu 34

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.1.1.1. Kết quả phân tích nhiệt 34

3.1.1.2. Kết quả nhiễu xạ rơnghen 35

3.1.1.3. Kết quả dao động hồng ngoại 39

3.1.1.4. Hình thái học, diện tích bề mặt vật liệu La
2
O
3
41

3.1.2. Ứng dụng vật liệu oxit La
2
O
3
kích thước nanomet để hấp phụ asen . 42

3.1.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen trên La
2
O
3
42

3.1.2.2. Ảnh hưởng điều kiện tổng hợp La
2
O
3

đến hiệu suất hấp phụ asen 44

3.1.2.3. Một số ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ asen trên nano oxit La
2
O
3
44

3.1.2.4. Xác định dung lượng hấp phụ asen trên La
2
O
3
kích thước nanomet 48

3.2. Vật liệu oxit La
2
O
3
trên nền chất mang 51

3.2.1. Chế tạo vật liệu La
2
O
3
/CTA 51

3.2.2. Ứng dụng vật liệu La
2
O
3

/CTA hấp phụ asen 52

3.2.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen trên La
2
O
3
/CTA 52

3.2.2.2. Dung lượng hấp phụ As (III) trên La
2
O
3
/CTA 53

3.2.2.3. Dung lượng hấp phụ As (V) trên La
2
O
3
/CTA 55

KẾT LUẬN CHUNG 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 1.1 - Số liệu ô nhiễm asen của một số địa phương 11

Bảng 1.2: Sơ bộ đánh giá các công nghệ đã sử dụng trong xử lý nước
nhiễm asen 17

Bảng 1.3: Đánh giá sơ bộ khả năng xử lý của các loại vật liệu đang được
nghiên cứu và sử dụng ở Việt Nam. 20

Bảng 3.1. Kết quả khảo sát nồng độ As (III) sau hấp phụ theo thời gian trên
La
2
O
3
43

Bảng 3.2. Kết quả hiệu suất hấp phụ asen của vật liệu ở các điều kiện chế
tạo 44

Bảng 3.3. Kết quả hiệu suất hấp phụ As (III) ở giá trị pH khác nhau 45

Bảng 3.4. Kết quả các giá trị pH sau hấp phụ trên La
2
O
3
45

Bảng 3.5. Kết quả hiệu suất hấp phụ As (III) ở nhiệt độ khác nhau 46

Bảng 3.6. Kết quả ảnh hưởng của cation đến hiệu suất hấp phụ asen 47

Bảng 3.7. Ảnh hưởng của anion đến hiệu suất hấp phụ asen 48

Bảng 3.8. Kết quả dung lượng hấp phụ As (III) trên La
2
O
3
49

Bảng 3.9. Kết quả dung lượng hấp phụ As (V) trên La
2
O
3
50

Bảng 3.10. Hiệu suất phủ và hàm lượng oxit lantan trên nền chất mang 52

Bảng 3.11. Kết quả hiệu suất hấp phụ As (III) theo thời gian trên
La
2
O
3
/C.T.A
.
53

Bảng 3.12. Kết quả dung lượng hấp phụ của La
2
O
3

đối với As (III) 54

Bảng 3.13. Kết quả dung lượng hấp phụ với As (V) trên La
2
O
3
/CTA 55


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Các căn bệnh do Asen gây ra 7

Hình 1.2. Bản đồ điều tra về tình hình ô nhiễm asen của nước ngầm tại TP
Hà Nội và một số khu vực ngoại thành – 1999. [8,9]. 9

Hình 1.3. Bản đồ các khu vực nhiễm Asen trên toàn quốc 10

Hình 1.4. Bản đồ điều tra về tình hình ô nhiễm asen của nước ngầm tại một
số tỉnh thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long – 1999 [2], [12]. 10

Hình 1.5. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian và nồng độ
chất bị hấp thụ (C
1
>C
2
). 16

Hình 2.1. Đường hấp phụ Langmuir và sự phụ thuộc C
f
/q vào C
f
33

Hình 3.1. Giản đồ TGA-DTA của mẫu gel La
3+
-PVA. 35

Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gel nung ở 400
o
C. 36

Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gel nung ở 500
o
C. 36

Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gel nung ở 600
o
C. 37

Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gel nung ở 700
o
C 37

Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gel nung ở 800
o
C 38

Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu La
2
O
3
đã chuyển pha tại nhiệt
độ phòng. 38

Hình 3.8. Quang phổ FTIR mẫu nung ở 500
o
C. 40

Hình 3.9. Quang phổ FTIR mẫu nung ở 600
o
C. 40

Hình 3.10. Quang phổ FTIR mẫu nung ở 700
o
C 41

Hình 3.11. Ảnh TEM của mẫu oxit La
2
O
3
42

Hình 3.12. Biểu diễn nồng độ của As (III) còn lại sau phản ứng theo thời gian. 43

Hình 3.13. Đồ thị sự phụ thuộc của pH
i
và ∆pH 46

Hình 3.14. Sự phụ thuộc LnK
đ
vào 10
-3
.1/T. 47

Hình 3.15. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với As (III) trên La
2
O
3
. 49

Hình 3.16. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với As (V) trên La
2
O
3
. 50


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.17. Sơ đồ chế tạo mẫu oxit La
2
O
3
/ CTA bằng phương pháp đốt cháy
gel PVA. 51

Hình 3.18. Sự phụ thuộc nồng độ As (III) sau hấp phụ theo thời gian. 53

Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuirđối với As (III) trên
La
2
O
3
/CTA. 54

Hình 3.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ As (V) trên La
2
O
3
/CTA. 55




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


MỞ ĐẦU

Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá, là yếu tố không thể thiếu
được của mọi hoạt động trên Trái Đất. Nguồn nước chủ yếu được khai thác là
nguồn nước ngầm. Nước ngầm thường có chứa các chất có hại cho sức khỏe
con người như các kim loại, hợp chất lưu huỳnh, hợp chất nitơ, halogen và một
số hợp chất khác… Đặc biệt asen là kim loại có hại cho sức khỏe con người
gây bệnh hiểm nghèo như: viêm da, rối loạn tuần hoàn máu, ung thư da…
Các phương pháp hóa học, hóa-lí để xử lý nước như: kết tủa, hấp thụ,
hấp phụ, trao đổi ion, oxi hóa khử, tạo phức, thẩm thấu ngược Tùy theo yêu

cầu cụ thể mà chọn phương pháp xử lý đơn lẻ hay tổ hợp. Phương pháp hấp
phụ là biện pháp phổ biến và có hiệu quả để loại bỏ asen, nhất là việc sử dụng
vật liệu nano. Việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các 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.
Có một số công trình đã sử dụng một số các vật liệu quặng sắt, quặng
mangan để hấp phụ asen, sắt, mangan, ra khỏi nguồn nước ô nhiễm nhưng do
diện tích bề mặt của các loại quặng trên là nhỏ nên hiệu suất xử lý thấp. Tuy
nhiên, có rất ít công trình đề cập đến việc sử dụng các nguyên tố đất hiếm
trong lĩnh vực hấp phụ Asen. Đặc biệt là vật liệu oxit nano La
2
O
3
. Do vậy, việc
chế tạo vật liệu oxit La
2
O
3
kích thước nanomet ứng dụng hấp phụ asen có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Dựa trên cơ sở phân tích tài liệu về công nghệ xử lý asen nhằm đẩy
mạnh hướng công nghệ chế tạo vật liệu kích thước nanomet và ứng dụng các
loại sản phẩm đầy tiềm năng này vào cuộc sống, cũng như sử dụng có hiệu quả
tài nguyên sẵn có ở trong nước, chúng tôi đã lựa chọn nghiên cứu đề tài “
Nghiên cứu chế tạo vật liệu oxit nano La
2
O
3
để hấp phụ Asen ”

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Chƣơng 1: TỔNG QUAN

1.1. Tài nguyên nƣớc và sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc
1.1.1. Tài nguyên nƣớc
Nước là thành phần của sinh quyển và đóng vai trò điều hòa các yếu tố
của khí hậu, đất đai và sinh vật thông qua chu trình vận động của nó. Nước còn
chứa đựng những tiềm năng khác, đáp ứng nhu cầu đa dạng của con người
trong sinh hoạt hàng ngày, trong nông nghiệp và trong sản xuất công nghiệp
như : tạo ra điện năng, nhiều thắng cảnh thiên nhiên hùng vĩ, nuôi trồng thủy
sản, sản xuất lương thực…
Trên thế giới, các đại dương chiếm diện tích khoảng 361 triệu km
2
( 71%
diện tích bề mặt trái đất ). Trữ lượng của tài nguyên nước khoảng 1,5 tỉ km
3
,
trong đó gần 97% là nước Đại dương, khoảng 3,34% ( khoảng 28,25 triệu km
3
)
ở dạng đóng băng. Trên thực tế lượng nước có thể sử dụng được chỉ khoảng 4,2
triệu km
3
( 0,28% thủy quyển ).

Nước ao, hồ, sông và đại dương nhờ năng lượng mặt trời bốc hơi vào khí
quyển, hơi nước ngưng tụ rồi theo mưa xuống bề mặt trái đất, nước chu chuyển

trong phạm vi toàn cầu tạo nên sự cân bằng nước và tham gia vào quá trình
điều hòa khí hậu trái đất. Hơi nước thoát ra từ các loài thực vật làm tăng độ ẩm
của không khí, một phần mưa thấm qua thành nước ngầm, nước ngầm và nước
mặt đều hướng ra biển để tuần hoàn trở lại, đó là một chu trình nước. Tuy nhiên
lượng nước ngọt, nước mưa trên hành tinh phân bố không đều, nước tự nhiên
tập trung phân bố ở biển và đại dương, sau đó đến khối băng ở các cực và nước
ngầm. Nước ngọt tầng mặt chỉ chiếm tỉ lệ không đáng kể.
1.1.2. Nguồn nƣớc ngầm
Nhu cầu của nước trong sinh hoạt và công nghiệp tồn tại song song với
sự phát triển của con người, ở đâu có nước thì ở đó mới có sự sống. Để đáp ứng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

nhu cầu dùng nước con người không ngừng tìm các nguồn nước mới và cách
xử lý nguồn nước. Nước khai thác gồm hai loại có nguồn gốc khác nhau là
nước mặt và nước ngầm. Nước mặt là nước trong sông, hồ, ao, 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 cơ, rong tảo, vi trùng dễ bị ô nhiễm.
Nước ao, hồ tuy có hàm lượng cặn thấp hơn nước sông nhưng độ màu và phù
du rong tảo nhiều hơn. 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).
Đối với các hệ thống cấp nước cộng đồng thì nguồn nước ngầm luôn là
nguồn nước được ưa thích. Phần lớn nước khai thác sử dụng trong sinh hoạt và
công nghiệp hiện nay là nước ngầm. Nước ngầm là nguồn cung cấp nước sinh
hoạt chính ở nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Bởi vì, các

nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào
sự biến động theo mùa. Nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi các tác động
của con người. Chất lượng nước ngầm thường tốt hơn chất lượng nước mặt
nhiều. Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay các hạt lơ lửng, và
vi sinh, vi trùng gây bệnh thấp. Thành phần đáng quan tâm trong nước ngầm là
các tạp chất hoà tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, nắng mưa,
các quá trình phong hoá và sinh hoá trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện
phong hoá tốt, có nhiều chất bẩn và luợng mưa lớn thì chất lượng nước ngầm
dễ bị ô nhiễm bởi các chất khoáng hoà tan, các chất hữu cơ, mùn lâu ngày theo
nước mưa ngấm vào đất. Ngoài ra, nước ngầm cũng có thể bị nhiễm bẩn do tác


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

động của con người. Các chất thải của con người và động vật, các chất thải sinh
hoạt, chất thải hoá học, và việc sử dụng phân bón hoá học…tất cả những loại
chất thải đó theo thời gian sẽ ngấm vào nguồn nước, tích tụ dần và làm ô nhiễm
nguồn nước ngầm. Đã có không ít nguồn nước ngầm do tác động của con người
đã bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ, các vi khuẩn gây bệnh,
nhất là các hoá chất độc hại như các kim loại nặng, dư lượng thuốc trừ sâu và
không loại trừ cả các chất phóng xạ [5], [20]. Việt nam là quốc gia có nguồn
nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và khá tốt về chất lượng. Nước ngầm ở
Việt nam nói chung có hàm lượng muối cao, hàm lượng Fe, Mn, Mg cũng cao
hơn so với trên thế giới [2], [12]. Việc chọn nguồn nước là một 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 tuỳ theo những khu vực nhất
định có những điều kiện cụ thể mà cần đánh giá khảo sát cho phù hợp.
1.1.3. Sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc
Việc chuyển từ dùng nước mặt do bị nhiễm bẩn trầm trọng sang dùng

nước ngầm đã tạo ra một sự cải thiện quan trọng về vệ sinh dịch tễ song chưa
lường trước được sự ô nhiễm asen, các kim loại nặng và các hợp chất độc hại
khác, chủ yếu do nguồn gốc tự nhiên.
Nước tự nhiên là nước được hình thành dưới ảnh hưởng của quá trình tự
nhiên, không có tác động của nhân sinh. Do có tác động của nhân sinh, nước tự
nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng
của nước. Các khuynh hướng làm thay đổi chất lượng của nước dưới ảnh
hưởng hoạt động kinh tế của con người là [5], [20], [21]:
- Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H
2
SO
4
, HNO
3
từ khí quyển,
tăng hàm lượng SO
4
2-
, NO
3
-
trong nước.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- Tăng hàm lượng của các ion Ca, Mg, Si trong nước ngầm và nước sông
do mưa hòa tan, phong hóa cacbonat.
- Tăng hàm lượng của các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên như:
Pb, Cd, Hg, As, Zn.

- Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng
đi từ khí quyển và từ các chất thải rắn vào môi trường nước cùng nước thải.
- Tăng hàm lượng các hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy bằng con đường
sinh học (các chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu ).
- Giảm nồng độ oxi hòa tan trong nước tự nhiên do các quá trình oxi hóa
có liên quan tới quá trình sống của các vi sinh vật, các nguồn chứa nước và
khoáng hóa các hợp chất hữu cơ.
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 thác là nước ngầm. Nước ngầm
thường chứa các chất có hại cho sức khỏe của con người như các kim loại, hợp
chất lưu huỳnh, hợp chất nitơ, halogel và một số các hợp chất khác. 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, sắt, mangan, amoni cao hơn nhiều lần nồng độ
cho phép [2], [12].
Các dạng As trong nước ngầm phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái và tính
chất của nước. Dạng As tồn tại chủ yếu trong nước ngầm là H
2
AsO
4
-
(trong môi
trường pH đến gần trung tính), HAsO
4
2-
(trong môi trường kiềm). Hợp chất
H
3
AsO
3

được hình thành chủ yếu trong môi trường oxi hóa khử yếu. Các hợp
chất asen 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,


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

một số khu vực quặng phong hóa nguồn gốc nhiệt dịch, mỏ dầu – khí, mỏ than
thường giầu asen [30], [33]
1.1.4. Tác hại của asen đối với con ngƣời
Asen (còn gọi là thạch tín)
Asen là một nguyên tố phân tán trên trái đất, hầu như có mặt trong tất cả
các mẫu đất đá, khoáng vật và trong các mẫu động thực vật. Asen tồn tại trong
tự nhiên thường ở dạng As (III) và As (V) trong đó trạng thái As (III) thường
độc hơn trạng thái As (V).
Từ lâu con người đã biết đến ô nhiễm asen qua đường hô hấp và qua
đường tiêu hóa. Về mặt sinh học, asen ảnh hưởng đến thực vật như một chất
ngăn cản quá trình trao đổi chất, làm giảm năng suất cây trồng, đặc biệt trong
môi trường thiếu photpho. Đối với con người asen tích luỹ trong gan, thận,
hồng cầu, hemoglobin và đặc biệt tụ tập trong não, xương, da, phổi và tóc [10],
[35] (Hình 1.1). Người ta có thể dựa vào hàm lượng asen trong cơ thể con
người để tìm hiểu hoàn cảnh và môi trường sống, nếu như hàm lượng asen trong tóc
nhóm dân cư khu vực nông thôn trung bình là 0,4-1,7 ppm, thì ở khu vực thành phố
công nghiệp là 0,4-2,1 ppm, còn ở khu vực ô nhiễm nặng 0,6-4,9 ppm [3].
Sự ô nhiễm asen xuất hiện như một thảm họa môi trường đối với sức
khỏe con người. Điểm đặc biệt nguy hiểm là cả hai dạng As (III) và As (V) đều
là các chất dễ hòa tan trong nước và không mầu, không vị do đó không thể phát
hiện bằng trực giác. Chính vì thế mà các nhà khoa học gọi chúng là “sát thủ vô
hình”. Đáng tiếc là mặc dù đã tốn rất nhiều đầu tư trong y học nhằm tìm kiếm
thuốc và phác đồ điều trị các bệnh liên quan đến nhiễm độc asen nhưng cho đến

nay cộng đồng y học thế giới vẫn chưa tìm ra một giải pháp hữu hiệu nào.



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên







Hình 1.1. Các căn bệnh do Asen gây ra


S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

Asen (III) th hin c tớnh vỡ nú tn cụng vo cỏc nhúm hoat ng SH
ca enzym, lm ụng t cỏc protein, cn tr hot ng ca enzym [10], [12],
[33]:

AsO
4
3-
có tính chất t-ơng tự PO
4
3-
sẽ thay thế ion PO
4
3-

gây ức chế enzym,
ngăn cản tạo ra ATP là chất sản sinh ra năng l-ợng





Nếu có mặt AsO
4
3-
thì quá trình phụ xẩy ra, tạo thành 1-arseno, 3-photphat,
glyxerat, nên sự tạo thành 1, 3-diphotphat glyxerat không xẩy ra, do đó không
hình thành và phát triển ATP:









Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Tóm lại, tác dụng hóa sinh chính của asen là: làm đông tụ protein, tạo
phức với enzym và phá hủy quá trình photphat hóa tạo ra ATP.
Các nhà khoa học thế giới đã nhận định tình hình ô nhiễm asen ngày
càng gia tăng đặc biệt là ở các quốc gia như ấn Độ, Đài Loan, Arhentina, Trung
Quốc, Mông Cổ, Mehico, Thái Lan, Bangladesh, Mỹ, Campuchia, Việt Nam
[23], [24].

Ở Việt Nam asen trong nước ngầm đã phát hiện được đầu tiên vào năm
1993 và dựa trên cấu trúc địa chất của Việt Nam có những đặc thù tương tự như
của Bangladesh. Theo các thông báo của Bộ tài nguyên và môi trường nguồn
nước ngầm các tỉnh đồng bằng bắc bộ như Hà Nội, Hà Nam, Hưng Yên, Vĩnh
Phúc đều bị nhiễm asen. Trên bản đồ điều tra về tình hình ô nhiễm asen của
nước ngầm tại TP Hà Nội và một số khu vực ngoại thành ( hình 1.2, 1.3 ) cho
chúng ta thấy sự báo động về tình hình ô nhiễm asen của nước ngầm và chỉ rất
ít những khu vực có nồng độ asen ở mức an toàn còn lại chủ yếu nồng độ asen
đều vượt nhưỡng cho phép, đặc biệt khu vực phía nam Hà Nội có những nơi
nồng độ asen >0,3mg/l lớn hơn 30 lần tiêu chuẩn phép [3], [10].


Hình 1.2. Bản đồ điều tra về tình hình ô nhiễm asen của nƣớc ngầm
tại TP Hà Nội và một số khu vực ngoại thành – 1999. [8,9].


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên










Hình 1.3. Bản đồ các khu vực nhiễm Asen trên toàn quốc

Không chỉ ở đồng bằng Bắc bộ, khu vực miền Trung cũng có biểu hiện

với mức độ khác nhau. Khu vực đồng bằng sông Cửu Long mức độ ô nhiễm
asen trong các nguồn nước ngầm tương đối nghiêm trọng tại 4 tỉnh Long An,
Đồng Tháp, An Giang, Kiên Giang ( Hình 1.4 ).

Hình 1.4. Bản đồ điều tra về tình hình ô nhiễm asen của nƣớc ngầm tại
một số tỉnh thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long – 1999 [2], [12].


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

 Ô nhiễm asen ở Hà Nội và vùng đồng bằng sông Hồng: Số liệu báo
cáo về tình hình ô nhiễm asen của UNICEF năm 2004.
Bảng 1.1 - Số liệu ô nhiễm asen của một số địa phương
Stt
Tỉnh
Số giếng
Số mẫu
khảo
sát
Mẫu có
As>10µg/l
Tỷ lệ
%
Mẫu có
As>10µg/l
Tỷ lệ
%
1
An Giang
1543

240
61
25,4
10
4,2
2
Bình Phước
-
52
0
0,0
0
0
3
Cao Bằng
-
35
2
5,7
0
0
4
Đồng Tháp
7780
212
88
41,5
83
39,2
5

Gia Lai
-
293
9
3,1
1
0,3
6
Hà Nam
49000
7042
4517
73,4
3534
62,1
7
Hà Nội
-
824
414
49,3
199
23,3
8
Hà Tây
180891
1368
638
46,6
338

24,7
9
Hải Dương
57938
480
34
7,1
3
0,6
10
TP HCM
-
240
0
0,0
0
0,0
11
Thừa Thiên Huế
16560
322
17
5,3
1
0,3
12
Hưng Yên
147933
3384
700

20,7
310
9,2
13
Lâm Đồng
-
50
11
22,3
0
0,0
14
Long An
2722
235
0
0,0
0
0,0
15
Nam Định
42964
605
156
21,3
104
13,8
16
Ninh Bình
-

75
26
34,7
8
10,7
17
Phú Thọ
-
150
0
0,0
1
0,2
18
Quảng Nam
-
546
0
0,0
1
0,2
19
Quảng Ninh
4960
240
5
2,1
1
0,4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20
Quảng Trị
-
128
14
10,4
1
0,8
21
Tây Ninh
-
603
0
0,0
0
0,0
22
Thái Bình
136172
125
66
52,8
1
0,8
23
Thái Nguyên
-

240
7
2,9
2
0,8
24
Thanh Hóa
-
347
17
4,9
17
4,9
25
Vĩnh Phúc
-
161
0
0,0
0
0,0

Số liệu từ bảng 1.1 cho thấy: Hà Nội, Hà Nam và Hà Tây (cũ) là những
địa phương có nguồn nước ngầm hay bị nhiễm Asen. Giá trị nồng độ asen trong
nước ngầm 10 µg/l và 50µg/l là tiêu chuẩn cho phép cấp nước ăn uống sinh
hoạt QCVN 01/2009 và QCVN 02/2009 của Bộ Y Tế.
Theo đánh giá của WHO, nước ta có trên mười triệu người có thể phải
đối mặt với nguy cơ tiềm tàng về nhiễm độc asen.
Giới hạn cho phép đối với asen trong nước ăn, uống là a = 0,01. Như vậy
nếu như hàm lượng asen trong nước ăn và uống lớn hơn 0,01mg/l thì sẽ gây

độc, gây ung thư, ngộ độc enzym trong quá trình giải phóng năng lượng [3].
1.2. Một số công nghệ xử lý nƣớc nhiễm asen
Loại bỏ asen để nước đạt tiêu chuẩn an toàn sức khoẻ là cần thiết. Trên
thế giới có nhiều phương phá p được áp dụng như : trao đổi ion, oxy hoá, hấp
phụ và phương pháp vi sinh; trong đó oxy hoá là phương pháp thông dụng hơn
cả [22], [25], [31]. Để tăng hiệu quả của quy trình xử lý có thể kết hợp các
phương pháp nói trên.
1.2.1. Phƣơng pháp trao đổi ion
Cơ sở của phương pháp dựa trên quá trình trao đổi ion bề mặt chất rắn
với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau [1], [4],
[32]. Các chất này gọi là các chất ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn
không tan trong nước. Các chất có khả năng trao đổi ion dương từ dung dịch


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

điện ly gọi là các cationit, những chất này mang tính axit. Các chất có khả năng
trao đổi ion âm gọi là các anionit và chúng mang tính kiềm. Các ion có khả năng
trao đổi cả anion và cation thì được gọi là ionit lưỡng tính. Chất trao đổi ion có thể
là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay được tổng hợp:
- Các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên: zeolit, đất sét, fespat
- Các chất trao đổi ion có nguồn gốc vô cơ tổng hợp: silicagen, các oxit
và hidroxit khó tan của một số kim loại: Al, Cr, Zn
- Các chất trao đổi ion hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên: axit humic của đất
(chất mùn).
- Các chất trao đổi ion tổng hợp gồm các khung polymer hữu cơ được
gắn các nhóm có khả năng trao đổi với các anion, cation như: RSO
3
H,
RCOOH, ROH, RPO

3
H
Phương pháp này có lợi thế về nhiều mặt:
+ Cho phép thu hồi chất có giá trị với mức độ làm sạch cao.
+ Thiết bị vận hành đơn giản.
+ Vật liệu có thể tái sinh được nhiều lần.
Trong thực tế nhựa trao đổi ion cần đến 60% thể tích bình chứa và 40%
còn lại là thể tích dung dịch đi vào. Do vập phương pháp này phù hợp cho quy
trình sản xuất nhỏ, còn với quy trình sản xuất lớn bị hạn chế.
1.2.2. Phƣơng pháp oxi hóa
Trong quy trình xử lý nước hiện hành, nước ngầm được bơm lên từ giếng
khoan hay giếng đào và đưa vào làm thoáng bằng giàn mưa, làm thoáng cưỡng
bức. Quá trình làm thoáng ở đây chủ yếu cung cấp oxy cho nước. Nước sau khi
làm thoáng được dẫn vào bể khuấy trộn và lắng cặn, trước khi đi vào bể nước
được tiếp xúc với hóa chất có tác dụng đẩy nhanh quá trình oxy hóa As(III),
nước từ bể lắng được dẫn qua bể lọc, bể lọc có chứa nhiều loại lớp vật liệu lọc.
Nước sạch sau khi qua bể lọc được khử trùng bằng Clo trước khi cung cấp cho
người sử dụng [1], [6], [27], [33].


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Trong phương pháp oxi hóa thường sử dụng các chất oxi hóa mạnh như:
Cl
2
, KMnO
4
và H
2
O

2
, hiện được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Nhược điểm của
phương pháp này là cần bổ xung thêm các tác nhân oxi hóa.
1.2.3. Phƣơng pháp hấp phụ
1.2.3.1. Khái niệm
Hấp phụ là phương pháp tách chất, trong đó các cấu tử từ hỗn hợp lỏng
hoặc khí hấp phụ trên bề mặt chất rắn, xốp.
Chất hấp phụ: chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ
Chất bị hấp phụ: chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ
Chất mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ
Quá trình giải hấp là quá trình đẩy chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt chất
hấp phụ. Khi quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng thì tốc độ hấp phụ bằng
tốc độ giải hấp. [1], [4]
1.2.3.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
Hấp phụ vật lý gây nên bởi lực VanderWalls, liên kết này yếu, dễ bị phá
vỡ; Hấp phụ hóa học tạo thành lực liên kết hóa học giữa bề mặt chất hấp phụ và
phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này tương đối bền và khó bị phá vỡ.
Thông thường, trong quá trình hấp phụ sẽ xảy ra đồng thời cả hai quá
trình trên. Trong đó, 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 chỉ tiêu so sánh sau:
- Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hoặc đa lớp, hấp phụ hóa học chỉ là
đơn lớp.
- Tốc độ hấp phụ: hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó
xảy ra nhanh, hấp phụ hóa học nói chung đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy
ra chậm hơn.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- Nhiệt độ hấp phụ: hấp phụ vật lý thường xảy ra ở nhiệt độ thấp, hấp phụ
hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao hơn.
- Nhiệt hấp phụ: đối với hấp phụ vật lý lượng nhiệt tỏa ra ∆H ≤ 20
kJ/mol, còn hấp phụ hóa học nhiệt tỏa ra ∆H ≥ 50 kJ/mol.
- Tính đặc thù: hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học do đó ít
mang tính đặc thù rõ rệt. Còn hấp phụ hóa học mang tính đặc thù cao, nó phụ thuộc
vào khả năng tạo thành liên kết hóa học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
1.2.3.3. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ
Cân bằng hấp phụ: Quá trình chất khí hoặc chất lỏng hấp phụ trên bề mặt
chất hấp phụ là một quá trình thuật nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã
hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại. Theo thời
gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di
chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp
phụ bằng tốc độ di chuyển ngược lại pha mang (giải hấp) thì quá trình hấp phụ
đạt cân bằng.
Dung lượng hấp phụ cân bằng được biểu thị khối lượng chất bị hấp phụ
trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng dưới các điều
kiện nồng độ và nhiệt độ cho trước.
Dung lượng (q) được xác định theo công thức:



V : Thể tích dung dịch (l)
m : Khối lượng chất hấp phụ (g)
C
i
: Nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch ban đầu (mg/l)
C
f
: Nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch cân bằng (mg/l).

(C
i
- C
f
).V
q =
m