Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hệ mno2 fe3o4 sio2 ứng dụng xử lý một số ion kim loại fe3+, mn2+ và as3+ trong nước ngầm thành nước sinh hoạt ở bình định

Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Tiến sỹ Nguyễn Văn Xá
– Viện Kỹ thuật Hóa học – Đại học bách khoa Hà Nội đã dành rất nhiều thời gian
và tâm huyết hƣớng dẫn và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Trong quá trình học tập, không có sự thành công nào mà không gắn liền với
những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều của các thầy cô, gia đình và bạn bè. Vì
vậy, suốt thời gian học tập tại trƣờng, tôi đã nhận đƣợc nhiều sự quan tâm, giúp đỡ
của Quý thầy, cô. Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gởi đến Quý thầy, cô đang giảng
dạy tại trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cùng với tri thức và tâm huyết của
mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng tôi trong suốt thời gian học
tập tại trƣờng.
Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hệ
MnO2/Fe3O4/SiO2 ứng dụng xử lý một số ion kim loại: Fe3+, Mn2+ và As3+ trong nƣớc
ngầm thành nƣớc sinh hoạt ở Bình Định”. Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn
Tiến sỹ Nguyễn Văn Xá đã tận tình chu đáo hƣớng dẫn tôi thực hiện khóa luận này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Song trong
quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu cũng không tránh khỏi những thiếu sót và hạn
chế về kiến thức, kinh nghiệm. Tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của quý
thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để khóa luận đƣợc hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Tác giả

Trần Quí Dƣơng

Học viên: Trần Quí Dương

Trang a


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi.
Các kết quả nghiên cứu trong luận văn hoàn toàn trung thực, các số liệu, tính toán
đƣợc là hoàn toàn chính xác và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ các công trình
nghiên cứu nào.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Tác giả

Trần Quí Dƣơng

Học viên: Trần Quí Dương

Trang b


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. a
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................b
MỤC LỤC ................................................................................................................... c
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................g
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................h
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Mục tiêu đề tài .........................................................................................................4
3. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................................4
4. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ........................................................4
4.1. Đối tƣợng nghiên cứu...........................................................................................4
4.2. Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................4
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN ......................................................................................5
1.1. Tài nguyên nƣớc và sự ô nhiễm trong nƣớc ........................................................5
1.1.1. Vai trò của nƣớc ................................................................................................5
1.1.2. Tài nguyên nƣớc [1, 8] ......................................................................................6
1.1.3. Tầm quan trọng của nguồn nƣớc ngầm.............................................................7
1.1.4. Hiện trạng nƣớc ngầm tại Bình Định ................................................................7
1.1.5. Sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc [2].....................................................................10
1.2. Chì và tác hại của chì (Pb) [1, 5]........................................................................11
1.3. Asen và tác hại của asen (As) [2] .......................................................................12
1.4. Tác hại của sắt (Fe) và mangan (Mn) [10] .........................................................15
1.5. Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc bị ô nhiễm bởi kim loại .................................15
1.5.1. Phƣơng pháp kết tủa hydroxyt [1, 13] ............................................................16
1.5.2. Phƣơng pháp đông tụ và keo tụ [2, 8, 13] .......................................................16
1.5.3. Phƣơng pháp thẩm thấu ngƣợc [2, 7] ..............................................................17
1.5.4. Phƣơng pháp trao đổi ion [2,7] .......................................................................18
Học viên: Trần Quí Dương

Trang c

Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

1.5.5. Phƣơng pháp hấp phụ [2, 3, 7] ........................................................................19
1.6. Vật liệu nano ......................................................................................................26
1.6.1. Hóa học nano[11] ............................................................................................27
1.6.2. Ứng dụng của công nghệ nano[21] .................................................................28
1.6.3. Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano ..................................................30
1.6.3.1. Phƣơng pháp điều chế từ trên xuống ...........................................................30
1.6.3.2. Phƣơng pháp điều chế từ dƣới lên ...............................................................31
1.7. Nguồn nguyên liệu .............................................................................................32
1.7.1. Nguyên liệu Mn...............................................................................................32
1.7.2. Nguyên liệu sắt ................................................................................................33
1.7.3. Axit citric .......................................................................................................35
CHƢƠNG II. THỰC NGHIỆM ................................................................................37
2.1. Dụng cụ, hóa chất ...............................................................................................37
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu [2] ..............................................................................37
2.2.1. Phƣơng pháp cơ học (mechanical) ..................................................................37
2.2.2. Phƣơng pháp hóa ƣớt (wet chemical) .............................................................37
2.2.2.1. Phƣơng pháp sol-gel.....................................................................................38
2.2.2.2. Phƣơng pháp kết tủa .....................................................................................38
2.2.2.3. Phƣơng pháp thủy nhiệt ...............................................................................39
2.2.3. Phƣơng pháp hình thành từ pha khí (gas-phase) .............................................40
2.2.4. Phƣơng pháp tổng hợp đốt cháy......................................................................40
2.3. Các phƣơng pháp xác định .................................................................................46
CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..........................................................47
3.1. Nghiên cứu các điều kiện tối ƣu để tổng hợp vật liệu nano oxit mangan và oxit
sắt. .............................................................................................................................47
3.1.1. Nghiên cứu tỉ lệ mol của mangan, sắt và axit citric (ACT) ............................47

3.1.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của pH........................................................................48
Học viên: Trần Quí Dương

Trang d


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

3.1.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ nung ......................................................49
3.1.4. Xác định hình thái học và cấu trúc nano của hạt vật liệu oxit mangan và oxit
sắt. .............................................................................................................................53
3.1.5. Điều chế oxit mangan và oxit sắt có kích thƣớc nanomet trên nền chất mang
silicat. ........................................................................................................................54
3.1.6. Đánh giá khả năng hấp phụ của oxit mangan và oxit sắt có kích thƣớc
nanomet trên nền chất mang Silicat theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir .................59
3.1.6.1. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất tách kim loại....................59
3.1.6.1.1. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất tách chì (Pb) .................59
3.1.6.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất tách asen (As)...............61
3.1.6.1.3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất tách sắt (Fe) ..................62
3.1.6.1.4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất tách Mangan (Mn) .......63
3.1.6.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu theo mô hình hấp phụ
Langmuir ...................................................................................................................64
3.1.6.2.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ chì (Pb) của vật liệu theo mô hình hấp
phụ Langmuir ............................................................................................................64
3.1.6.2.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ chì (As) của vật liệu theo mô hình hấp
phụ Langmuir ............................................................................................................65
3.1.6.2.3. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Sắt (Fe) của vật liệu theo mô hình hấp
phụ Langmuir ............................................................................................................67
3.1.6.2.4. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Mangan (Mn) của vật liệu theo mô
hình hấp phụ Langmuir .............................................................................................68

3.1.7. Kết quả xác định một số thông số cơ lý của vật liệu.......................................70
3.2. Đánh giá khả năng xử lý kim loại ra khỏi dung dịch bằng phƣơng pháp hấp phụ
động trên cột và giải hấp, thu hồi vật liệu .................................................................71
3.2.1. Đánh giá khả năng xử lý kim loại có trong dung dịch nƣớc của vật liệu .......71
3.2.2. Kết quả quá trình giải hấp, thu hồi ion kim loại .............................................72
KẾT LUẬN ...............................................................................................................74
Học viên: Trần Quí Dương

Trang e


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

VLHP: Vật liệu hấp phụ.
PC 49: Cảnh sát Môi trƣờng.
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam.
QCVN: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.
ATP: Adenosine triphosphate.
NAD: Nicotinamide adenine dinucleotide.
IARC: Quốc tế cơ quan nghiên cứu ung thƣ.
EU: Liên minh các nƣớc Châu Âu.
WHO: Tổ chức y tế thế giới.
PAC: Poly Aluminium Chloride.
CTAB: Cetyl trimetyl amoni bromua.
SDS: Natri dodecyl sunfat.
EDA: Etylen diamin.
CS: Combustion Synthesis – Tổng hợp bốc cháy.
SHS: Self Propagating High Temperature Synthesis Process.

ACT: Axit citric.
SPM: Kính hiển vi đầu dò quét.
AFM: Kính hiển vi nguyên tử lực.
XRD: Nhiễu xạ tia X.
IR: Tia hồng ngoại.
SEM: Chụp ảnh hiển vi điện tử quét.
UV-Vis: Quang phổ hấp thụ phân tử.

Học viên: Trần Quí Dương

Trang f


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Chất lƣợng nƣớc ngầm tại Bình Định (xã Tam Quan, huyện Hoài Nhơn) 9
Bảng 2.1. Một số oxit nano tổng hợp bằng phƣơng pháp kết tủa .............................39
Bảng 3.1. Ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Pb2+ lên vật liệu ...........60
Bảng 3.2. Ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình hấp phụ As3+ lên vật liệu ...........61
Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Fe3+ lên vật liệu ............62
Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Mn2+ lên vật liệu ..........63
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát sự phụ thuộc dung lƣợng hấp phụ (q) vào nồng độ cân
bằng Cf đối với Pb2+. .................................................................................................64
Bảng 3.6. Kết quả khảo sát sự phụ thuộc dung lƣợng hấp phụ (q) vào nồng độ cân
bằng Cf đối với As3+. .................................................................................................65
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát sự phụ thuộc dung lƣợng hấp phụ (q) vào nồng độ cân
bằng Cf đối với Fe3+. .................................................................................................67
Bảng 3.8. Kết quả khảo sát sự phụ thuộc dung lƣợng hấp phụ (q) vào nồng độ cân
bằng Cf đối với Mn2+. ................................................................................................69

Bảng 3.9. Kết quả phân tích hàm lƣợng kim loại trƣớc và sau khi xử lý .................72

Học viên: Trần Quí Dương

Trang g


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .......................................................22
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf .....................................................................22
Hình 1.3. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich......................................................23
Hình 1.4. Sự phụ thuộc lgq vào lgC ..........................................................................23
Hình 1.5. Sơ đồ phân chia các vùng khi tiến hành quá trình hấp phụ ......................25
Hình 2.1. Qui trình tổng hợp vật liệu nano oxit mangan và oxit sắt trên nền silicat.
...................................................................................................................................43
Hình 2.2.a. Dung dịch ban đầu ..................................................................................44
Hình 2.2.b. Dung dịch sau khi gia nhiệt 2 giờ ..........................................................44
Hình 2.2.c. Dịch keo sau khi gia nhiệt 4 giờ .............................................................44
Hình 2.2.d. Mẫu bắt đầu cho cát vào ........................................................................45
Hình 2.2.e. Mẫu sau khi nung có trộn cát .................................................................45
Hình 2.2.f. Mẫu sau khi nung không trộn cát ...........................................................45
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của các mẫu điều chế từ gel với tỉ lệ
(Mn/Fe)/ACT = (1/1)/2; (2/1)/3; (1/1)/3; (2/1)/2; (1/2)/3 nung ở 5000C ..................47
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu điều chế từ gel ở pH = 2, 3, 4, 5, 6...........48
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của các mẫu nung ở nhiệt độ 3000C, 4000C,
5000C, 6000C ............................................................................................................49
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nung ở nhiệt độ 3000C ...........................50
Hình 3.5. Phổ tử ngoại của Mn(II), ACT và Mn(II)-ACT ........................................51

Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nung ở nhiệt độ 6000C ...........................52
Hình 3.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nung ở nhiệt độ 5000C ...........................53
Hình 3.9. Hình thái học và cấu trúc nano của hạt vật liệu ........................................54
Hình 3.10.a. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu C0 ......................................................55
Hình 3.10.b. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu C20.....................................................56
Học viên: Trần Quí Dương

Trang h


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

Hình 3.10.c. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu C30 .....................................................56
Hình 3.11. Ảnh vi cấu trúc và hình thái học của cát thạch anh trƣớc khi tẩm ..........58
Hình 3.12. Ảnh vi cấu trúc và hình thái học của cát thạch anh sau khi tẩm .............58
Hình 3.13. Khả năng hấp phụ chì (Pb) của vật liệu theo thời gian. ..........................60
Hình 3.14. Khả năng hấp phụ asen (As) của vật liệu theo thời gian.........................61
Hình 3.15. Khả năng hấp phụ Sắt (Fe) của vật liệu theo thời gian. ..........................62
Hình 3.16. Khả năng hấp phụ Mangan (Mn) của vật liệu theo thời gian. ................63
Hình 3.17. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Pb(II) ...........................................................65
Hình 3.18. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ As(III) ..........................................................66
Hình 3.19. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) ..........................................................68
Hình 3.20. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) ..........................................................70
Hình 3.21. Mô hình cột tách kim loại ra khỏi nƣớc ..................................................71

Học viên: Trần Quí Dương

Trang i

Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển về kinh tế và tiến bộ về khoa học kỹ thuật
thì vấn đề về ô nhiễm môi trƣờng nói chung và ô nhiễm môi trƣờng nƣớc nói riêng
đã và đang là một trong những điểm nóng, đáng lo ngại của toàn nhân loại, đòi hỏi
cả thế giới phải quan tâm và có biện pháp khắc phục. Bởi vì, đi kèm với sự phát
triển đáng mừng đó thì các nguồn chất thải nhƣ: Rác thải, nƣớc thải, khí thải của
ngƣời dân và các nhà máy công nghiệp cũng tăng theo một cách tỷ lệ thuận. Trong
khi các nguồn chất thải này lại chứa đựng rất nhiều chất độc hại mà chƣa đƣợc xử lý
hoặc mới xử lý sơ bộ. Từ đó, nó đi vào cống, rãnh, sông, hồ, …và làm ô nhiễm các
nguồn nƣớc. Đây chính là nguyên nhân chủ yếu và quan trọng trong việc gây ra ô
nhiễm môi trƣờng, đặc biệt là môi trƣờng nƣớc.
Hiến chƣơng châu Âu về nƣớc đã định nghĩa:
“Ô nhiễm nƣớc là sự biến đổi nói chung do con ngƣời đối với chất lƣợng
nƣớc, làm nhiễm bẩn nƣớc và gây nguy hiểm cho con ngƣời, cho công nghiệp, nông
nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi, giải trí, cho động vật nuôi và các loài hoang dã.’’
Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc không chỉ là vấn đề lo ngại đối với các nƣớc phát
triển mà còn là sự thách thức đối với các nƣớc đang phát triển, trong đó có Việt
Nam. Trên thực tế, nguồn nƣớc sạch ngày càng khan hiếm và không đáp ứng đủ cho
nhu cầu sinh hoạt hàng ngày cũng nhƣ trong sản xuất của con ngƣời. Trong khi đó,
nguồn nƣớc bị ô nhiễm ngày càng tăng cao, mức độ ô nhiễm ngày càng nặng. Ngoài
những nguyên nhân gây ra sự ô nhiễm ở môi trƣờng nƣớc mà ta đã nêu trên thì cũng
còn một số nguyên nhân khá quan trọng khác nhƣ: Hậu quả do chiến tranh để lại
(chất độc màu da cam), sự tồn tại của các kim loại nặng: Pb, Cu, Zn, Fe, Cd, Mn,
As, …trong mạch nƣớc ngầm. Đặc biệt là kim loại chì (Pb) và asen (As).
Hiện nay ở Việt Nam, tình hình ô nhiễm chì (Pb) trong nguồn nƣớc
cũng đang là một vấn đề đáng lo ngại. Cụ thể, theo kết quả phân tích kiểm định
môi trƣờng của Phòng Cảnh sát Môi trƣờng (PC 49), Công an tỉnh Yên Bái cho

Học viên: Trần Quí Dương

Trang 1


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

thấy, nƣớc sông Hồng chảy qua địa phận tỉnh Yên Bái đã bị nhiễm chì nghiêm
trọng. Kết quả kiểm định xác định: Chì đo đƣợc là 0,74 mg/l, trong khi giới hạn cho
phép tối đa là 0,1 mg/l, nên đã vƣợt tiêu chuẩn cho phép về chất lƣợng nƣớc mặt
(vƣợt 7,4 lần); Kết quả nghiên cứu về chất lƣợng nƣớc ngầm ở TP HCM của Đại
học Quốc gia thành phố cho thấy: Tại khu vực Bình Mỹ (Củ Chi), bãi rác Đông
Thạnh nguồn nƣớc ngầm cũng bị nhiễm chì ở nồng độ cao; …
Trong khi đó, những năm gần đây, ô nhiễm kim loại nặng đặc biệt là Asen đã
thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Phần lớn sự nhiễm độc Asen thông
qua việc sử dụng nguồn nƣớc, lƣơng thực, thực phẩm ở những vùng đất, đất, không
khí nhiễm asen. Các triệu trứng của nhiễm độc asen bao gồm sự thay đổi màu da,
hình thành của các vết cứng trên da, ung thƣ da, ung thƣ phổi, ung thƣ thận và bàng
quang cũng nhƣ có thể dẫn tới hoại tử.
Hiện nay ở các vùng nông thôn Việt Nam phần lớn vẫn sử dụng nƣớc ngầm
trong sinh hoạt. Tuy nhiên nguồn nƣớc ngầm của một sốvùng cũng phải đối mặt với
vấn đề rất đáng lo ngại về ô nhiễm asen. Theo thống kê chƣa đầy đủ, hiện Việt Nam
có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan có nồng độ Asen trong nƣớc ngầm cao hơn từ 20
– 50 lần theo tiêu chuẩn của Bộ Y tế(10 µg L-1) [11]. Những nghiên cứu gần đây
cho thấy nƣớc ngầm ở vùng đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long
có hàm lƣợng Asen khá cao, nhiều nơi vƣợt qua tiêu chuẩn cho phép đối với nƣớc
uống. Những tỉnh đƣợc phát hiện nƣớc ngầm có hàm lƣợng asen cao gồm Hà Nội,
Phú Thọ, Đồng Tháp, Kiên Giang, Long An [4]. Trong khi đó, hiện trạng ô nhiễm
asen tại một số vùng nông thôn đồng bằng sông Hồng tƣơng đối cao, vƣợt tiêu
chuẩn cho phép đến 40 lần.

Trong khi đó, tại tỉnh Bình Định, tài nguyên nƣớc dƣới đất có những thay đổi
bất lợi, với nguy cơ thấp trong trung hạn. Tuy nhiên, những thay đổi này diễn ra với
tốc độ chậm nên nếu tiếp diễn cũng sẽ chƣa gây phƣơng hại tới các loại hình sử
dụng nƣớc hiện tại (nhƣ ăn uống sinh hoạt, tƣới tiêu, công nghiệp…) trong vòng 1015 năm tới.
Học viên: Trần Quí Dương

Trang 2


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

Vậy đâu là giải pháp cho vấn đề ô nhiễm nƣớc nói chung và ô nhiễm kim
loại nói riêng tại Việt Nam? Để khắc phục và hạn chế tình trạng ô nhiễm nƣớc hiện
nay thì các nhà khoa học đã và đang nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu và đƣa vào thị
trƣờng một số sản phẩm nhằm xử lý các kim loại nặng nhƣ: Vật liệu đá ong, nguyên
liệu khoáng tự nhiên bazan, đá ong, đất sét đỏ, hay vật liệu nano oxit sắt từ, nano
mangan oxit đƣợc mang trên silicat, ...[2]
Ngoài yếu tố hiệu quả, năng suất xử lý và độ tin cậy của công nghệ hay vật
liệu, còn cần đòi hỏi giá thành vật liệu phải phù hợp.
Đặt trƣớc thách thức đó thì việc tìm nguồn nguyên liệu dồi dào, dễ kiếm từ
tự nhiên để tổng hợp nên vật liệu là ý tƣởng có tính khả thi. Cụ thể, ở Việt Nam có
trữ lƣợng mangan, sắt trong tự nhiên rất lớn với sản lƣợng khai thác khổng lồ và
nguồn cát thạch anh không phải tìm kiếm đâu xa mà ngay trên địa bàn tỉnh Bình
Định và tỉnh lân cận.
Mặt khác, với sự ra đời và phát triển không ngừng của ngành khoa học vật
liệu mới, trong đó có ngành vật liệu nano. Sản phẩm của vật liệu nano đƣợc ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội nhƣ: Y học, sinh học, năng lƣợng.
Đặc biệt trong lĩnh vực xử lý môi trƣờng nhƣ: Xử lý môi trƣờng khí, môi trƣờng
nƣớc bị ô nhiễm.
Hiện nay, có rất nhiều vật liệu nano đƣợc ứng dụng để xử lý nƣớc bị ô nhiễm

kim loại nặng. Xuất phát từ những cơ sở nói trên, tôi đã lựa chọn đề tài:
“Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hệ MnO2/Fe3O4/SiO2 ứng dụng xử lý một số ion
kim loại: Fe3+, Mn2+ và As3+ trong nƣớc ngầm thành nƣớc sinh hoạt ở Bình
Định”

Học viên: Trần Quí Dương

Trang 3


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

2. Mục tiêu đề tài
- Chế tạo một số vật liệu hấp phụ kim loại nặng đặc biệt là kim loại chì có hiệu
quả cao từ nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phƣơng, giá thành rẻ và phù hợp với đặc
điểm nguồn nƣớc ô nhiễm tại các địa phƣơng nghiên cứu.
- Ứng dụng vật liệu chế tạo đƣợc để xử lý chì, asen, sắt và mangan trong nƣớc.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Tổng hợp vật liệu nano oxit mangan và oxit sắt trên nền chất mang cát
thạch anh bằng phƣơng pháp bốc hơi nhanh, phƣơng pháp kết tủa, và nhiệt phân gel
của axit citric, mangan nitrat, và sắt (III) clorua.
- Xác định các đặc trƣng hoá lý của vật liệu bằng các phƣơng pháp nhiễu xạ
tia X (XRD), hồng ngoại (IR), chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).
- Hàm lƣợng kim loại chì, asen, sắt và mangan trong nƣớc đƣợc xác định
bằng phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis), phƣơng pháp von ampe
hòa tan, phƣơng pháp ICP-MS hoặc các phƣơng pháp phân tích hoá học khác.
4. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Chế tạo vật liệu nano oxit mangan và oxit sắt trên chất nền cát thạch anh.
4.2. Phạm vi nghiên cứu

- Dùng vật liệu để xử lý một số mẫu nƣớc bị nhiễm kim loại chì, asen, sắt và
mangan.

Học viên: Trần Quí Dương

Trang 4


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Tài nguyên nƣớc và sự ô nhiễm trong nƣớc
1.1.1. Vai trò của nƣớc
Nƣớc là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sống trên Trái
Đất, là cơ sở của sự sống đối với mọi sinh vật. Đối với thế giới vô sinh, nƣớc là một
thành phần tham gia rộng rãi vào các phản ứng hoá học; nƣớc là dung môi và là môi
trƣờng tàng trữ các điều kiện để thúc đẩy hay kìm hãm các quá trình hóa học. Đối
với con ngƣời, nƣớc là nguyên liệu chiếm tỉ trọng lớn nhất.
Vai trò của nƣớc trong đời sống và sản xuất thì vô cùng quan trọng:
Trong đời sống: Nƣớc rất cần thiết cho hoạt động sống của con ngƣời cũng
nhƣ các sinh vật. Con ngƣời có thể không ăn trong nhiều ngày mà vẫn sống nhƣng
sẽ bị chết sau 3 ngày nhịn khát, vì cơ thể ngƣời có khoảng từ 65-68% nƣớc. Nếu
mất 12% nƣớc thì cơ thể sẽ bị hôn mê và có thể chết. Con ngƣời cần nƣớc để uống,
sinh hoạt hàng ngày và cho sản xuất. Mỗi ngƣời, một ngày ăn uống chỉ cần 2,5 lít
nƣớc, nhƣng tính chung cả nƣớc sinh hoạt thì phƣơng Tây mỗi ngƣời cần khoảng
300 lít nƣớc mỗi ngày còn với các nƣớc đang phát triển, số lƣợng nƣớc đó thƣờng
đƣợc dùng cho một hộ gia đình 5-6 ngƣời.
Trong sản xuất: Nhu cầu nƣớc cho sản xuất công nghiệp và nông nghiệp là
rất lớn.
+ Trong sản xuất nông nghiệp (chăn nuôi, trồng trọt), nƣớc là nhân tố quyết

định hàng đầu "nhất nƣớc nhì phân tam cần tứ giống". Vì vậy nếu thiếu nƣớc, hoặc
nguồn nƣớc bị ô nhiễm thì có khả năng gây ra các thảm hoạ trầm trọng nhƣ: Nạn
đói, bệnh tật, …
+ Trong sản xuất công nghiệp nƣớc cũng đóng một vai trò quan trọng. Để
khai thác một tấn dầu mỏ cần phải có 10m3 nƣớc, muốn chế tạo một tấn sợi tổng
hợp cần tới 5600m3 nƣớc, một trung tâm nhiệt điện hiện đại với công suất 1 triệu
kW phải mất 1,2- 1,6 tỉ m3 nƣớc trong một năm. Cụ thể là: Dùng nƣớc để tẩy rửa

Học viên: Trần Quí Dương

Trang 5


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

nguyên vật liệu, để tham gia vào các quá trình trao đổi nhiệt và các phản ứng chế
tạo vật chất mới, …
Tóm lại, nƣớc có vai trò đặc biệt quan trọng. Nó là máu sinh học của Trái
Đất, là nguồn sống cho con ngƣời và cả một cộng đồng rộng lớn. Nếu không có
nƣớc thì sẽ không có sự sống tồn tại trên Trái Đất này. Nhƣng hiện nay, vấn đề đặt
ra với chúng ta là phải bảo vệ nguồn nƣớc nhất là nƣớc ngọt một cách triệt để nhất.
Vì vậy, con ngƣời phải sử dụng hợp lý các nguồn nƣớc sinh hoạt và sản xuất, việc
khai thác phải luôn đi đôi với việc chống ô nhiễm nguồn nƣớc đã khai thác sử dụng,
phải xử lý nƣớc thải sản xuất và sinh hoạt.
1.1.2. Tài nguyên nƣớc [1, 8]
Tài nguyên nƣớc là các nguồn nƣớc mà con ngƣời, mọi vi sinh vật sử dụng
hoặc có thể sử dụng vào những mục đích khác nhau nhƣ: Dùng trong các hoạt động
nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và môi trƣờng. Hầu hết các hoạt động
trên đều cần nƣớc ngọt. Trên thực tế, 97% nƣớc trên Trái Đất là nƣớc muối, chỉ 3%
còn lại là nƣớc ngọt nhƣng lại hơn 2/3 lƣợng nƣớc này tồn tại ở dạng sông băng và

các mũ băng ở các cực, phần còn lại không đóng băng đƣợc tìm thấy chủ yếu ở
dạng nƣớc ngầm, và chỉ một tỷ lệ nhỏ tồn tại trên mặt đất và trong không khí.
Nƣớc trên hành tinh phân bố không đều, nƣớc tự nhiên tập trung phần lớn ở
biển và đại dƣơng, sau đó đến khối băng ở các cực rồi nƣớc ngầm. Nƣớc ngọt tầng
mặt chỉ chiếm một tỷ lệ không đáng kể. Nhƣng hiện nay, nhu cầu nƣớc ngọt và sạch
đã vƣợt cung ở một vài nơi trên thế giới, trong khi dân số thế giới vẫn đang tiếp tục
tăng nhanh. Nhƣ vậy, nhu cầu về nƣớc của con ngƣời trở nên cấp thiết. Trong khi
đó, sự nhận thức về tầm quan trọng của việc bảo vệ nguồn nƣớc cho nhu cầu hệ sinh
thái chỉ mới đƣợc lên tiếng gần đây. Trong suốt thế kỷ 20, hơn một nửa các vùng
đất ngập mặn trên thế giới đã bị biến mất cùng với các môi trƣờng hỗ trợ có giá trị
của chúng. Các hệ sinh thái nƣớc ngọt mang đậm tính đa dạng sinh học nhƣng lại
đang suy giảm nhanh hơn các hệ sinh thái biển và đất liền.

Học viên: Trần Quí Dương

Trang 6


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

1.1.3. Tầm quan trọng của nguồn nƣớc ngầm
Thực tế, lƣợng nƣớc dự trữ trên trái đất rất hiếm hoi mà nhu cầu sử dụng lại
lớn. Để đáp ứng nhu cầu dùng nƣớc, con ngƣời đã không ngừng tìm các nguồn
nƣớc mới và cách xử lý nguồn nƣớc. Nƣớc khai thác gồm hai loại nƣớc có nguồn
gốc khác nhau là: Nƣớc mặt và nƣớc ngầm. Nƣớc mặt là nƣớc có trong sông, hồ,
ao, suối. Trong đó: Nƣớc sông chảy qua nhiều vùng đất khác nhau vì thế mà lẫn
nhiều tạp chất, hàm lƣợng cặn cao có nhiều chất hữu cơ, rong tảo, vi trùng, và dễ bị
ô nhiễm; nƣớc ao, hồ có hàm lƣợng cặn thấp hơn nƣớc sông nhƣng độ màu và phù
du rong tảo nhiều hơn. Nguồn nƣớc ngầm có đƣợc là do sự thẩm thấu của nƣớc mặt,
nƣớc mƣa, nƣớc trong không khí, qua các tầng vỉ đất đá tạo nên những túi nƣớc

trong lòng đất. Trong quá trình thẩm thấu, một phần nƣớc bị giữ lại ở các khe núi
hay các lỗ xốp của các tầng đất đá tạo nên các tầng ngậm nƣớc. Thông thƣờng,
nƣớc ngầm di chuyển qua một số lớp nhƣ: Sỏi, cát thô, cát trung, cát mịn và đá vôi,
cho đến tầng không thấm nƣớc. Nƣớc ngầm có ƣu điểm là có tính ổn định hơn nƣớc
mặt. Nƣớc ngầm có hàm lƣợng chất hữu cơ thấp, vi trùng hầu nhƣ không có, các
thành phần tƣơng đối ổn định và ít bị ô nhiễm. Tuy nhiên, nƣớc ngầm lại chứa một
số hợp chất gây độc hại đối với sức khoẻ của con ngƣời nhƣ: Hợp chất lƣu huỳnh,
hợp chất nitơ, halogel, và đặc biệt là các kim loại nặng nhƣ: Pb, Hg, As, Fe, Mn, ...
Do đó cũng nhƣ nƣớc mặt, khi khai thác nƣớc ngầm ngoài chất lƣợng nƣớc
thì cần đánh giá các chỉ tiêu của nƣớc để có thể xác định phƣơng pháp khai thác và
công nghệ xử lý cho thích hợp.
1.1.4. Hiện trạng nƣớc ngầm tại Bình Định
Địa phận tỉnh Bình Định gồm 6 tầng chứa nƣớc, trong đó 4 tầng chứa nƣớc
lỗ hổng, 2 tầng chứa nƣớc khe nứt và đới chứa nƣớc khe nứt -phong hóa. Trữ lƣợng
động 245751,5 m3/ngày đêm; trữ lƣợng tĩnh 78365,7 m3/ngày đêm; trữ lƣợng tiềm
năng 1228461,8 m3/ngày đêm; trữ lƣợng dự báo 773311,6 m3/ngày đêm.
Biến động về số lƣợng tài nguyên nƣớc dƣới đất trên địa bàn tỉnh Bình Định
chủ yếu do cấp nƣớc sinh hoạt cho dân cƣ cả đô thị và nông thôn. Đến nay, lƣợng
Học viên: Trần Quí Dương

Trang 7


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

nƣớc dƣới đất phục vụ nƣớc sinh hoạt tại các trạm cấp nƣớc tập trung đƣợc khai
thác tại sông Hà Thanh 20.000 m3/ngày; sông Kôn 34.000 m3/ngày; sông Lại Giang
9.000 m3/ngày.
Hiện trạng chất lƣợng nƣớc dƣới đất
a) Nhiễm mặn

Nƣớc dƣới đất trên địa bàn Tỉnh Bình Định bị nhiễm mặn một số khu vực
cửa sông Siêm Giang (vùng Đề Gi), sâu vào đất liền 2-3 km, với diện tích khoảng
15 km2. Khu vực có ranh giới nhiễm mặn cách ngã ba Phú Tài khoảng 1,0 km về
phía Đông, qua thị trấn Tuy Phƣớc, vòng qua núi Kì Sơn, theo tỉnh lộ 442, kéo lên
phía Bắc. Từ ranh giới này ra biển, các tầng chứa nƣớc nằm dƣới sâu hầu hết bị
nhiễm mặn, phần trên cùng tồn tại một lớp nƣớc nhạt (khoảng 1 - 5 m) nằm trên
nƣớc mặn do nƣớc mƣa cung cấp.
b) Nhiễm bẩn
Nƣớc dƣới đất trong các tầng chứa nƣớc Holocen và Pleistocen ở đồng bằng
Bình Định đa phần là chƣa bị nhiễm bẩn. Kết quả phân tích một số mẫu nƣớc giếng
tầng nông (tầng chứa nƣớc Holocen) cho thấy rằng trong số 11 mẫu đƣợc phân tích
12 chỉ tiêu cơ bản thì chỉ có 2 mẫu nƣớc có hàm lƣợng mangan vƣợt quá mức quy
định so với tiêu chuẩnViệt Nam.
Nƣớc dƣới đất trên địa phận tỉnh Bình Định ở những nơi không bị nhiễm
mặn (tổng độ khoáng hóa tối đa là 1,0 g/l) về tính chất hóa lí nhìn chung đảm bảo
cho ăn uống sinh hoạt. Về mặt vi sinh hầu hết các giếng dân dụng và một số lỗ
khoan nƣớc có Coliform ở mức cao từ 5 đến 2400 lạc khuẩn/100ml nƣớc và E.Coli
từ 3 ÷ 278 lạc khuẩn/100 ml nƣớc, nhƣ vậy, nƣớc hầu hết bị nhiễm khuẩn. Vì vậy,
khi sử dụng nƣớc cho ăn uống cần thiết phải đun sôi theo quy định.
Xu thế chất lƣợng nƣớc dƣới đất
Khai thác nƣớc dƣới đất ở Bình Định hiện tại chƣa phải là vấn đề nghiêm
trọng, vì tổng lƣợng nƣớc khai thác còn thấp hơn so với trữ lƣợng khai thác an toàn
của các tầng chứa nƣớc. Tình trạng ô nhiễm nguồn nƣớc ngầm cũng xảy ra ở một số
Học viên: Trần Quí Dương

Trang 8


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

nơi. Theo tài liệu năm 2007, ở nhiều điểm thuộc huyện Hoài Nhơn, Hoài Ân, An
Lão, Phù Mỹ, An Nhơn... có hàm lƣợng thủy ngân, Cadmi, Ba, NH4, vi sinh... vƣợt
ngƣỡng cho phép. Chất lƣợng nƣớc ngầm tại khu vực khai thác titan đã có dấu hiệu
bị ô nhiễm: nƣớc ngầm có TSS vƣợt từ 1,48 đến 3,94 lần; PO4 vƣợt 1,88 lần; Fe
vƣợt từ 1,13 đến 1,57 lần; COD vƣợt từ 1,34 đến 1,86 lần. Tình hình khoan giếng
trên toàn tỉnh diễn ra bừa bãi, vô tổ chức, gây nguy cơ ô nhiễm, cạn kiệt nguồn
nƣớc.
Đánh giá: tài nguyên nƣớc dƣới đất có những thay đổi bất lợi, với nguy cơ
thấp trong trung hạn. Tuy nhiên, những thay đổi này diễn ra với tốc độ chậm nên
nếu tiếp diễn cũng sẽ chƣa gây phƣơng hại tới các loại hình sử dụng nƣớc hiện tại
(nhƣ ăn uống sinh hoạt, tƣới tiêu, công nghiệp…) trong vòng 10-15 năm tới.
Nhìn chung, hiện nay chất lƣợng nƣớc ngầm tại Bình Định có mức độ ô
nhiễm không lớn lắm. Các thông số cơ bản trong nƣớc ngầm tại Bình Định đƣợc thể
hiện qua bảng sau:
Bảng 1.1. Chất lƣợng nƣớc ngầm tại Bình Định (xã Tam Quan, huyện Hoài
Nhơn)
STT

Tên chỉ tiêu

1

pH

2

Hàm lƣợng Amoni (tính theo N)

3

Đơn vị

Kết quả

QCVN 09MT:2015/BTNMT

6,94

5,5 - 8,5

mg/L

0,09

1

Hàm lƣợng Nitrat (tính theo N)

mg/L

6,76

15

4

Độ cứng tính theo CaCO3

mg/L

65

500

5

Hàm lƣợng Fe

mg/L

0,12

5

6

Hàm lƣợng Mn

mg/L

0,02

0,5

7

TDS

mg/L

170

1500

8

Hàm lƣợng As

mg/L

< 0,0010

0,05

Học viên: Trần Quí Dương

Trang 9


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

9

Hàm lƣợng Cu

mg/L

< 0,0055

1

10

Hàm lƣợng Zn

mg/L

0,0470

3

11

Hàm lƣợng Pb

mg/L

0,0278

0,01

12

Coliform

MPN/100mL

4

3

Nguồn: Trung tâm quan trắc tài nguyên và môi trường Bình Định (ngày 17/8/2016)
1.1.5. Sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc [2]
Nƣớc tự nhiên là nƣớc đƣợc hình thành dƣới ảnh hƣởng của quá trình tự
nhiên, không có tác động của con ngƣời. Nhƣng do tác động của con ngƣời, nƣớc tự
nhiên đã bị nhiễm bẩn nhiều chất độc hại và gây ra ô nhiễm nƣớc trầm trọng. Các
khuynh hƣớng làm thay đổi chất lƣợng của nƣớc dƣới ảnh hƣởng hoạt động kinh tế
của con ngƣời là:
Giảm độ pH của nƣớc ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HNO3 từ khí quyển, tăng
hàm lƣợng SO42-, NO3- trong nƣớc.
Tăng hàm lƣợng của các ion Ca, Mg, Si trong nƣớc ngầm và nƣớc sông do
mƣa hòa tan, phong hóa cacbonat.
Tăng hàm lƣợng của các ion kim loại nặng trong nƣớc tự nhiên nhƣ: Pb, Cd,
Hg, As, Zn, Mn.
Tăng hàm lƣợng các muối trong nƣớc bề mặt và nƣớc ngầm do chúng đi từ
khí quyển và từ các chất rắn thải vào môi trƣờng nƣớc cùng với nguồn nƣớc thải.
Tăng hàm lƣợng các hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy bằng con đƣờng sinh
học (các chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu, …)
Giảm nồng độ oxi hòa tan trong nƣớc tự nhiên do các quá trình oxi hóa có
liên quan tới quá trình sống của các vi sinh vật, các nguồn chứa nƣớc và khoáng hóa
các hợp chất hữu cơ.
Thƣc tế hiện nay, nhu cầu về nƣớc sạch ngày càng tăng cả về chất lƣợng và
số lƣợng. Trong một vài năm tới chúng ta phải đảm bảo cho 80% dân số đƣợc sử
dụng nƣớc sạch. Nguồn nƣớc chủ yếu đƣợc khai thác là nƣớc ngầm. Nƣớc ngầm
Học viên: Trần Quí Dương

Trang 10


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

thƣờng chứa các chất có hại cho sức khỏe của con ngƣời nhƣ: Các kim loại nặng,
hợp chất lƣu huỳnh, hợp chất nitơ, halogel và một số các hợp chất khác. Đặc biệt là
As và Pb là hai nguyên tố có hàm luợng ở trong nƣớc cao và gây ảnh hƣởng lớn đến
sức khoẻ của con ngƣời. Những nguyên tố mà chúng ta quan tâm ở đây là chì (Pb),
asen (As), sắt (Fe) và mangan (Mn) vì tình trạng ô nhiễm các kim loại này hiện nay
đang ở mức báo động.
1.2. Chì và tác hại của chì (Pb) [1, 5]
Chì là một nguyên tố hóa học, viết tắt là Pb và có số nguyên tử là 82. Chì có
hóa trị phổ biến là II, có khi là IV; là một kim loại mềm, nặng, độc hại và có thể tạo
hình. Nó có màu trắng xanh khi mới cắt nhƣng bắt đầu xỉn màu thành xám khi tiếp
xúc với không khí; là nguyên tố có độc tính cao đối với sức khoẻ con ngƣời. Chì
gây độc cho hệ thần kinh trung ƣơng, hệ thần kinh ngoại biên, tác động lên hệ
enzim có nhóm hoạt động chứa hyđro. Trong số các kim loại nặng, sự có mặt của
Pb2+ là tƣơng đối phổ biến trong các nguồn nƣớc bị ô nhiễm. Chì đƣợc dùng trong
xây dựng, ắc quy chì, đạn, và là thành phần của nhiều hợp kim. Vì vậy, nó có ở
trong nƣớc thải của các cơ sở sản xuất pin, ắc quy, luyện kim, hóa dầu. Ngoài ra,
chì còn đƣợc đƣa vào môi trƣờng nƣớc từ nguồn không khí bị ô nhiễm do khí thải
giao thông. Con ngƣời khi tiếp xúc với chì thƣờng xuyên sẽ dẫn đến nhiễm độc chì.
Chì có thể xâm nhập vào cơ thể ngƣời qua nƣớc uống, không khí và thức ăn bị
nhiễm chì. Chì và hơi chì làm cho mắt, cổ họng và mũi đau rát khi tiếp xúc. Chì cũng
gây ra các hiện tƣợng: Nhức đầu, cấu kỉnh, giảm trí nhớ và gây mất ngủ. Cơ chế tác
dụng độc của chì là sự kìm hãm hoạt động của enzim trong quá trình trao đổi chất của
hồng cầu. Ban đầu, chúng liên kết lỏng lẻo với hồng cầu và đƣợc thải ra khỏi cơ thể
với tỉ lệ thấp, phần lớn chúng đƣợc vận chuyển đến và tích tụ trong xƣơng, tóc.
Ngƣời bị nhiễm độc chì sẽ bị rối loạn bộ phận tạo huyết (tuỷ xƣơng). Các triệu chứng
khi bị nhiễm độc chì là ăn không ngon, sụt cân, buồn nôn, đau bụng, vận động khó
khăn, tăng nguy cơ cao huyết áp, và về lâu dài sẽ gây ra các bệnh về thận, tổn hại cho
não và gây ra bệnh thiếu máu. Nếu nhiễm độc chì nặng có thể gây tử vong. Ngoài ra,
Học viên: Trần Quí Dương

Trang 11


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

chì còn có ảnh hƣởng xấu đến khả năng sinh sản ở cả phụ nữ và nam giới, chúng có
tác hại đối với thai nhi và có thể dẫn đến hiện tƣợng quái thai.
Hàm lƣợng chì trong nƣớc tự nhiên khoảng 5µg/l. Tuy nhiên, hiện nay nhiều
nguồn nƣớc có hàm lƣợng chì lớn hơn nhiều. Hàm lƣợng chì cho phép đối với nƣớc
sinh hoạt là 0,01 mg/l.
1.3. Asen và tác hại của asen (As) [2]
Asen hay còn gọi là thạch tín, một nguyên tố hóa học có ký hiệu As và số
nguyên tử 33. Asen lần đầu tiên đƣợc Albertus Magnus (Đức) viết về nó vào năm
1250. Khối lƣợng nguyên tử của nó bằng 74,92.
Asen là một á kim gây ngộ độc khét tiếng và có nhiều dạng thù hình: màu
vàng (phân tử phi kim) và một vài dạng màu đen và xám (á kim) chỉ là số ít mà
ngƣời ta có thể nhìn thấy. Ba dạng có tính kim loại của asen với cấu trúc tinh thể
khác nhau cũng đƣợc tìm thấy trong tự nhiên (các khoáng vật asen sensu stricto và
hiếm hơn là asenolamprit cùng parasenolamprit), nhƣng nói chung nó hay tồn tại
dƣới dạng các hợp chất asenua và asenat. Vài trăm loại khoáng vật nhƣ thế đã đƣợc
biết tới. Asen và các hợp chất của nó đƣợc sử dụng nhƣ là thuốc trừ dịch hại, thuốc
trừ cỏ, thuốc trừ sâu và trong một loạt các hợp kim.
Trạng thái ôxi hóa phổ biến nhất của nó là -3 (asenua: thông thƣờng trong
các hợp chất liên kim loại tƣơng tự nhƣ hợp kim), +3 (asenat (III) hay asenit và
phần lớn các hợp chất asen hữu cơ), +5 (asenat (V): phần lớn các hợp chất vô cơ
chứa ôxy của asen ổn định). Asen cũng dễ tự liên kết với chính nó, chẳng hạn tạo
thành các cặp As-As trong sulfua đỏ hùng hoàng (α-As4S4) và các ion As43- vuông
trong khoáng coban asenua có tên skutterudit. Ở trạng thái ôxi hóa +3, tính chất hóa
học lập thể của asen chịu ảnh hƣởng bởi sự có mặt của cặp electron không liên kết.

Phổ biến:
Năm 2005, Trung Quốc là nhà sản xuất asen trắng hàng đầu, chiếm gần 50%
sản lƣợng thế giới. Sau đó là Chile và Peru, theo báo cáo của Khảo sát Địa chất
Vƣơng quốc Anh.
Học viên: Trần Quí Dương

Trang 12


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

Asenopyrit một cách không chính thức gọi là mispickel (FeAsS) là khoáng
vật chứa asen phổ biến nhất. Khi bị nung nóng trong không khí, asen thăng hoa ở
dạng ôxít asen (III) để lại các ôxít sắt.
Các hợp chất quan trọng nhất của asen là ôxít asen (III), As2O3, ('asen
trắng'), opiment sulfua vàng (hay thƣ hoàng) (As2S3) và hùng hoàng đỏ (As4S4),
lục Paris, asenat canxi, asenat hiđrô chì. Ba hợp chất cuối cùng từng đƣợc sử dụng
trong nông nghiệp làm thuốc trừ sâu và thuốc độc. Thƣ hoàng và hùng hoàng trƣớc
đây đƣợc dùng làm thuốc màu trong hội họa, hiện nay đã bị bỏ do độc tính và khả
năng phản ứng của chúng. Mặc dù asen đôi khi đƣợc tìm thấy nhƣ là asen tự nhiên
trong thiên nhiên nhƣng nguồn kinh tế chính của nó là khoáng vật asenopyrit nói
trên đây; nó cũng tìm thấy trong các asenua kim loại nhƣ bạc, côban (cobaltit:
CoAsS và skutterudit: CoAs3) hay niken, hay nhƣ là các sulfua, và ôxi hóa nhƣ là
các khoáng vật asenat nhƣ mimetit, Pb5(AsO4)3Cl và erythrit, Co3(AsO4)2. 8H2O,
và hiếm hơn là các asenit ('arsenit' = asenat (III), AsO33- chứ không phải asenat
(V), AsO43-). Ngoài các dạng vô cơ nhƣ nói trên, asen cũng tồn tại trong nhiều
dạng hữu cơ trong môi trƣờng.
Asen và nhiều hợp chất của nó là những chất độc cực kỳ có hiệu nghiệm.
Asen phá vỡ việc sản xuất ATP thông qua vài cơ chế. Ở cấp độ của chu trình axít
citric, asen ức chế pyruvat dehydrogenaza và bằng cách cạnh tranh với phốtphat nó

tháo bỏ phốtphorylat hóa ôxi hóa, vì thế ức chế quá trình khử NAD+ có liên quan
tới năng lƣợng, hô hấp của ti thể và tổng hợp ATP. Sản sinh của perôxít hiđrô cũng
tăng lên, điều này có thể tạo thành các dạng ôxy hoạt hóa và sức căng ôxi hóa. Các
can thiệp trao đổi chất này dẫn tới cái chết từ hội chứng rối loạn chức năng đa cơ
quan (xem ngộ độc asen) có lẽ từ cái chết tế bào do chết hoại, chứ không phải do
chết tự nhiên của tế bào.
IARC công nhận asen nguyên tố và các hợp chất của asen nhƣ là các chất
gây ung thƣ nhóm 1, còn EU liệt kê triôxít asen, pentôxít asen và các muối asenat
nhƣ là các chất gây ung thƣ loại 1.
Học viên: Trần Quí Dương

Trang 13


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

Asen gây ra ngộ độc asen do sự hiện diện của nó trong nƣớc uống, “chất phổ
biến nhất là asenat [HAsO42- ; As(V)] và asenit [H3AsO3 ; As(III)]”. Khả năng của
asen tham gia phản ứng ôxi hóa-khử để chuyển hóa giữa As (III) và As (V) làm cho
khả năng nó có mặt trong môi trƣờng là hoàn toàn có thể. Theo Croal và ctv thì
“việc hiểu về điều gì kích thích ôxi hóa As (III) và/hoặc hạn chế khử As (V) có liên
quan tới xử lý sinh học các khu vực ô nhiễm. Nghiên cứu các tác nhân ôxi hóa As
(III) tự dƣỡng thạch hóa học và các tác nhân khử As (V) dị dƣỡng có thể giúp hiểu
về ôxi hóa và/hoặc khử asen.
Nhiễm bẩn asen trong nƣớc ngầm đã dẫn tới đại dịch ngộ độc asen tại
Bangladesh và các nƣớc láng giềng. Ngƣời ta ƣớc tính khoảng 57 triệu ngƣời đang
sử dụng nƣớc uống là nƣớc ngầm có hàm lƣợng asen cao hơn tiêu chuẩn của Tổ
chức Y tế Thế giới là 10 phần tỷ. Asen trong nƣớc ngầm có nguồn gốc tự nhiên và
nó đƣợc giải phóng ra từ trầm tích vào nƣớc ngầm do các điều kiện thiếu ôxy của
lớp đất gần bề mặt. Nƣớc ngầm này bắt đầu đƣợc sử dụng sau khi các tổ chức phi

chính phủ (NGO) phƣơng Tây hỗ trợ chƣơng trình làm các giếng nƣớc lớn để lấy
nƣớc uống vào cuối thế kỷ 20. Chƣơng trình này đƣợc đề ra nhằm ngăn ngừa việc
uống nƣớc từ nƣớc bề mặt bị nhiễm khuẩn, nhƣng lại không chú trọng tới kiểm định
asen trong nƣớc ngầm. Nhiều quốc gia và khu vực khác ở Đông Nam Á, nhƣ Việt
Nam, Campuchia, Tây Tạng, Trung Quốc, đƣợc coi là có các điều kiện địa chất
tƣơng tự giúp cho quá trình tạo nƣớc ngầm giàu asen. Ngộ độc asen đã đƣợc báo
cáo tại Nakhon Si Thammarat, Thái Lan năm 1987, và asen hòa tan trong sông
Chao Phraya bị nghi là chứa hàm lƣợng cao asen nguồn gốc tự nhiên, nhƣng đã
không có vấn đề gì với sức khỏe công cộng do việc sử dụng nƣớc đóng chai.
Phân tích các nghiên cứu dịch tễ học nhiều nguồn về phơi nhiễm asen vô cơ
gợi ý rằng rủi ro nhỏ nhƣng có thể đo đƣợc tăng lên đối với ung thƣ bàng quang ở
mức 10 phần tỷ.Theo Peter Ravenscroft từ khoa Địa trƣờng Đại học Cambridge
khoảng 80 triệu ngƣời trên khắp thế giới tiêu thụ khoảng 10 tới 50 phần tỷ asen
trong nƣớc uống của họ. Nếu họ tiêu thụ chính xác 10 phần tỷ asen trong nƣớc uống
Học viên: Trần Quí Dương

Trang 14


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

của mình thì phân tích dịch tễ học đa nguồn trích dẫn trên đây phải dự báo 2.000
trƣờng hợp bổ sung về ung thƣ bàng quang. Điều này thể hiện sự ƣớc tính quá thấp
rõ nét về ảnh hƣởng tổng thể, do nó không tính tới ung thƣ phổi và da. Những ngƣời
chịu phơi nhiễm asen ở mức cao hơn tiêu chuẩn hiện tại của WHO nên cân nhắc tới
chi phí và lợi ích của các biện pháp giải trừ asen.
1.4. Tác hại của sắt (Fe) và mangan (Mn) [10]
Các tạp chất hay gặp hơn trong nƣớc ngầm dùng cho sinh hoạt là mangan và
sắt với nồng độ 1 – 2 mg/l, có nguồn đạt tới 8 – 10 mg/l.
Nƣớc bị đục và có màu, có mùi vị là do Fe(II) bị oxi hoá thành Fe(III), thuỷ

phân tạo thành Fe(OH)3 và mangan tạo thành MnO2. Sắt và mangan thƣờng có
trong nƣớc bề mặt và nƣớc ngầm dƣới dạng muối tan hay phức, do hoà tan các lớp
khoáng trên đƣờng nƣớc chảy qua hoặc do ô nhiễm bởi các nguồn nƣớc thải công
nghiệp [6,9].
Mangan là yếu tố gây độc hại cho sức khoẻ của ngƣời sử dụng.
Nƣớc có hàm lƣợng sắt >0,5 mg/l và mangan >0,5 mg/l sẽ gây mùi tanh khó
chịu, làm nƣớc có màu. Khi bị oxi hoá chúng chuyển thành các hợp chất Fe(OH)3 và
MnO2 gây keo làm tắc đƣờng ống [6,9].
Theo QCVN 01:2009/BYT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc
ăn, uống thì giới hạn cho phép đối với sắt trong nƣớc ăn, uống là sắt < 0,3 mg/l và
mangan < 0,3 mg/l.
1.5. Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc bị ô nhiễm bởi kim loại
Khi nghiên cứu và đề xuất công nghệ xử lý loại bỏ kim loại nặng trong nƣớc
nói chung và chì (Pb), asen (As), sắt (Fe), mangan (Mn) nói riêng, thì trƣớc tiên ta
phải căn cứ vào trạng thái tồn tại, mức độ hay nồng độ của nó trong nƣớc, các yếu
tố và điều kiện địa phƣơng.
Dƣới đây là một số công nghệ xử lý nƣớc bị ô nhiễm chì (Pb), asen (As), sắt
(Fe), mangan (Mn).

Học viên: Trần Quí Dương

Trang 15


Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Văn Xá

Công nghệ loại bỏ chì (Pb), asen (As), sắt (Fe), mangan (Mn) trong nƣớc
phần lớn đƣợc sử dụng các phƣơng pháp sau: Phƣơng pháp kết tủa hydroxyt;
phƣơng pháp đông tụ và keo tụ; phƣơng pháp thẩm thấu ngƣợc; phƣơng pháp trao
đổi ion; phƣơng pháp hấp phụ.

1.5.1. Phƣơng pháp kết tủa hydroxyt [1, 13]
Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở là tích số tan của các hydroxyt kim loại;
trong dung dịch phụ thuộc vào pH và hoạt độ của kim loại.
Biểu thức định lƣợng của quá trình kết tủa:

Kết tủa hydroxit kim loại là những chất khó tan, vì vậy có thể tách chúng
bằng phƣơng pháp đông tụ, sa lắng và lọc.
Độ tan kết tủa phụ thuộc vào tích số tan của kết tủa đó.

Trong đó: a là hoạt độ
T là tích số tan
Bên cạnh việc sử dụng các tác nhân kết tủa là các chất nhƣ: NaOH, Ca(OH)2,
...ngƣời ta còn dùng các tác nhân khác nhƣ các muối sunfua, cacbonat. Sử dụng các
tác nhân này có những ƣu điểm nhƣ: Quá trình kết tủa xảy ra ở pH thấp, kết tủa tạo
thành bền, dễ sa lắng và dễ làm mất màu nƣớc hơn kết tủa hydroxit. Tuy nhiên, đối
với một số kim loại lƣỡng tính khi vƣợt quá giá trị pH giới hạn thì hydroxit của
chúng sẽ bị tan ra và trở lại thành ion trong dung dịch. Do đó, để quá trình kết tủa là
tối ƣu nhất ta cần phải xác định khoảng pH thích hợp.
1.5.2. Phƣơng pháp đông tụ và keo tụ [2, 8, 13]
Cơ sở phƣơng pháp này là quá trình trung hòa điện tích (đông tụ) giữa các
hạt keo mang điện và liên kết các hạt keo với nhau (keo tụ), để tạo các hạt bông lớn.
Các chất làm đông tụ thƣờng sử dụng là: Al2(SO4)3.18H2O, KAl(SO4)2.12H2O, và
Học viên: Trần Quí Dương

Trang 16