(Luận văn thạc sĩ file word) Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành tốt khóa học này tơi đã nhận được sự động viên giúp đỡ tận
tình của gia đình, các thầy cơ, các cơ quan, đồng nghiệp và bạn bè.
Qua luận văn này, trước tiên cho tôi gửi lời cảm ơn TS. Lê Xuân Quang Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và cung
cấp những tài liệu, thông tin cần thiết để tác giả hồn thành luận văn này.
Tơi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo và cán bộ khoa Kỹ thuật Tài
nguyên nước - Trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ, động viên tôi rất nhiều trong
suốt thời gian học tập.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các cơ quan, đơn vị đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả
trong quá trình điều tra thu thập tài liệu cho luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè - những người luôn ở bên động
viên tôi trong học tập và trong cuộc sống.
Trân trọng cảm ơn!
Hà nội, ngày 01 tháng 12 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Trung Hiếu


BẢN CAM KẾT
Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc
nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh
Oai, thành phố Hà Nội”
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn được làm dựa trên các số liệu, tư liệu được
thu thập từ nguồn thực tế, được công bố trên báo cáo của các cơ quan nhà nước như
Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường,… Những kết quả nghiên cứu, thí nghiệm
khơng sao chép từ bất kỳ nguồn thơng tin nào khác. Nếu vi phạm tơi xin hồn tồn
chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà trường.
Hà nội, ngày 01 tháng 12 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Trung Hiếu


CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
BĐKH

:

Biến đổi khí hậu

MT

: Môi trường

NSVSMTNT

: Nước sạch vệ sinh môi trường nông

thôn TCVN

:

Tiêu chuẩn Việt Nam

QCVN

:

Quy chuẩn Việt Nam

TCCP

:

Tiêu chuẩn cho phép

WHO

:

Tổ chức Y tế thế giới (World Health Organization)

IMS

:

Viện Khoa học vật liệu

VAST

:

Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

FDA

: Cơ quan an toàn thực ph

ẩm Hoa Kỳ

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
BẢN CAM KẾT
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................................... 5
1.1 Tổng quan về lý thuyết công nghệ Nano.............................................................5
1.1.1 Khái niệm.........................................................................................................5
1.1.2 Phân loại vật liệu Nano.....................................................................................5
1.1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ Nano................................................................5
1.1.4 Hướng ứng dụng chung..................................................................................6
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước trên
thế giới................................................................................................................7
1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ Nano trong lọc nước ở
Việt Nam................................................................................................................... 9
1.4 Tổng quan về nhu cầu nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm Asen.........................11
1.5 Giải pháp xử lý nước trong vùng ô nhiễm Asen hiện nay.................................13
1.6 Kết luận chương 1.............................................................................................14
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC
NƯỚC, CẤP NƯỚC SINH HOẠT CHO VÙNG Ô NHIỄM ASEN..........................15
2.1 Đánh giá nguồn nước sinh hoạt và các phương pháp xử lý nước sinh hoạt truyền
thống....................................................................................................................... 15
2.2 Cơ sở khoa học trong việc ứng dụng công nghệ Nano trong cấp nước sinh hoạt ..
...........................................................................................................................19
2.3 Giới thiệu công nghệ Nano trong lọc nước cấp nước sinh hoạt...............................20
2.3.1 Giới thiệu vật liệu Nano:..............................................................................20
2.3.2 Quy trình cơng nghệ.....................................................................................23
2.3.3 Quản lý vận hành............................................................................................................................... 34

2.4 Nghiên cứu lựa chọn dây chuyền công nghệ và khả năng xử lý...........................30
2.5 Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước cho vùng ô nhiễm
Asen........................................................................................................................ 30
2.6 Kết luận chương 2.................................................................................................31


CHƯƠNG 3.ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC, CẤP
NƯỚC SINH HOẠT VÙNG Ô NHIỄM ASEN, XÃ CAO DƯƠNG, HUYỆN
THANH OAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI...........................................................................33
3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, hiện trạng sử dụng nước sạch, vệ sinh môi
trường vùng nghiên cứu..........................................................................................33
3.2 Đánh giá hiện trạng và khả năng khai thác nguồn nước vùng nghiên cứ...........39
3.3 Xác định nhu cầu cấp nước vùng nghiên cứu....................................................44
3.4 Đề xuất phương án cấp nước.............................................................................45
3.4.1 Căn cứ lựa chọn.............................................................................................. 45
3.4.2 Phương án cấp nước....................................................................................... 46
3.5 Phương pháp và giải pháp công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt vùng nghiên cứu.
...........................................................................................................................46
3.5.1 Các căn cứ lựa chọn.....................................................................................46
3.5.2 Thử nghiệm đối chứng giải pháp công nghệ..................................................46
3.6 Giải pháp thiết kế các hạng mục cơng trình hệ thống cấp nước sinh hoạt vùng
ơ nhiễm Asen xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội.................51
3.6.1 Căn cứ thiết kế..............................................................................................51
3.6.2 Những yêu cầu thiết kế...................................................................................52
3.6.3 Quy mơ, cơng suất và cấp cơng trình.............................................................52
3.6.4 Giải pháp thiết kế và kết cấu cơng trình.........................................................53
3.7 Quản lý vận hành hệ thống cấp nước sinh hoạt ứng dụng công nghệ Nano
trong lọc nước vùng ô nhiễm Asen xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố
Hà Nội...............................................................................................................
63

3.8 Nhận xét đánh giá..............................................................................................65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................................66
Kết luận................................................................................................................... 66
Kiến nghị................................................................................................................. 67
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................69
PHỤ LỤC................................................................................................................ 70


DANH MỤC BẢNG BIẾU
Bảng 1.1: Ứng dụng vật liệu Nano trong khoa học kỹ thuật và đời sống....................7
Bảng 1.2: Hiện trạng ô nhiễm Asen tại Hà Tây cũ (năm 2008)................................11
Bảng 3.1. Kết quả quan trắc nước mặt.....................................................................40
Bảng 3.2. Kết quả quan trắc nước ngầm..................................................................41
Bảng 3.3 Chất lượng nước sinh hoạt tại các hộ gia đình tại Cao Dương – Thanh Oai 43
Bảng 3.4 : Tính tốn nhu cầu cấp nước vùng nghiên cứu........................................45
Bảng 3.5: Kết quả phân tích và hiệu quả xử lý Asen đợt 1.......................................47
Bảng 3.6: Kết quả phân tích và hiệu quả xử lý Asen đợt 2.......................................48
Bảng 3.7: Kết quả phân tích và hiệu quả xử lý Asen đợt 3.......................................49
Bảng 3.8: Kết quả phân tích và hiệu quả xử lý Asen đợt 4.......................................50
Bảng 3.9: Các thông số kỹ thuật của thiết bị cơng suất 60 - 80 lít/h.........................59
Bảng 3.10: Các thông số kỹ thuật của thiết bị công suất 300 lít/h.............................61
Bảng 3.11: Bảng chi phí xây dựng lắp đặt thiết bị cơng trình..................................68


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Ơ nhiễm Asen gây bệnh ung thư da......................................................13
Hình 2.1: Bể ngầm trữ nước mưa.........................................................................16
Hình 2.2: Bể trữ nước mưa nổi.............................................................................16
Hình 2.3: Giếng khoan kết hợp máy bơm.............................................................17
Hình 2.4: Bể lọc cát đơn giản...............................................................................17

Hình 2.5: Chuyển giao công nghệ chế tạo lõi lọc bằng vật liệu Nano dạng màng 20
Hình 2.6: Nghiên cứu chế tạo thiết bị lọc bằng vật liệu Nano cacbon để xử lý
Asen
................................................................................................................................20
Hình 2.7: Vật liệu cacbon Nano............................................................................23
Hình 2.8: Cấu tạo bộ lọc đơn chiếc cơng nghệ nano.............................................24
Hình 2.9: Chuẩn bị ngun vật liệu sản xuất lõi lọc.............................................25
Hình 2.10: Gắn đáy vào thân lõi...........................................................................25
Hình 2.11: Tiếp liệu và nén ép vật liệu vào thân lõi..............................................26
Hình 2.12: Gắn nắp vào thân lõi...........................................................................26
Hình 2.13: Nén ép lõi hồn thiện..........................................................................27
Hình 2.14: Kiểm tra đo đạc sản phẩm...................................................................27
Hình 2.15: Bộ lọc đơn chiếc cơng suất 60 – 80 l/h...............................................28
Hình 2.16: Bộ lọc đơn chiếc cơng suất 300 - 350 l/h............................................29
Hình 2.17: Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ..............................................................30
Hình 3.1: Vị trí xã Cao Dương trên bản đồ...........................................................33
Hình 3.2: Trẻ em trong lớp học tại trường mầm non Cao Dương.........................37
Hình 3.3: Lớp học trường mầm non Cao Dương – khu Dược Liệu......................38
Hình 3.4: Nước giếng khoan nhiễm sắt và Asen tại Cao Dương..........................38
Hình 3.5: Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ xử lý ứng dụng cơng nghệ

nano..........53

Hình 3.6: Mặt bằng bố trí hạng mục cơng trình xử lý ứng dụng cơng nghệ nano 54
Hình 3.7: Bản vẽ giếng khoan kết hợplắp đặt máy bơm nước..............................55
Hình 3.8: Mặt cắt bể lọc cát..................................................................................56
Hình 3.9: Mặt cắt bể chứa nước sau lọc cát..........................................................58


Hình 3.10: Fin lọc tinh..........................................................................................58

Hình 3.11: Thiết bị lọc nước xử lý Asen hộ gia đình............................................59
Hình 3.12: Thiết bị lọc nước xử lý Asen trường mầm non...................................60
Hình 3.13: Lắp đặt thiết bị xử lý tại hộ gia đình...................................................63
Hình 3.14: Lắp đặt thiết bị xử lý tại trường mầm non..........................................63


9

MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của Đề tài
Nước là một nguồn tài nguyên quý của mỗi Quốc gia, nước không thể thiếu
được trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày cũng như trong q trình sản xuất cơng
nghiệp, nơng nghiệp. Tuy nhiên sự phát triển kinh tế quá nóng trong bối cảnh biến
đổi khí hậu tồn cầu diễn ra ngày càng nhanh hơn dẫn đến nguy cơ cạn kiệt nguồn
tài nguyên nước, dẫn tới tình trạng ơ nhiễm nguồn nước ở nhiều nước trên thế giới,
đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng như Asen trong nước ngầm. Ô nhiễm Asen (thạch
tín-ký hiệu hóa học: As) trong nước ngầm đã trở thành mối quan tâm đặc biệt trên
thế giới khi xảy ra thảm họa nhiễm độc Asen trên diện rộng ở Bangladesd và Tây
Bengan Ấn Độ. Nhiễm độc Asen có thể gây ra những căn bệnh nguy hiểm dẫn tới
tử vong cho con người như ưng thư da và các cơ quan nội tạng. Ngày nay, ngoài hai
khu vực trên, đã phát hiện nhiều nơi trên thế giới như Mỹ, Canađa, Achentina, Đài
Loan, Việt Nam cũng có các nguồn nước bị nhiễm Asen. Vì vậy nhiều quốc gia trên
thế giới đã và đang hoạch định các thể chế quản lý để đảm bảo việc kiểm sốt tốt
hơn nguồn tài ngun vơ giá này và làm cho nguồn nước ngày càng sạch hơn. Các
giải pháp nghiên cứu ứng dụng khoa học công nghệ nhằm khai thác, sử dụng nước
tiết kiệm, cải thiện chất lượng nguồn nước cũng đang được chú trọng.
Một trong các giải pháp công nghệ được quan tâm gần đây là ứng dụng vật
liệu Nano trong lọc nước cấp nước ăn, uống. Đây là công nghệ mới và hiện đại nhất
hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới. Công nghệ Nano đã và đang trở thành một
lĩnh vực khoa học cơng nghệ đóng vai trị quan trọng trong việc giải quyết một số

bất cập của các thiết bị xử lý nước truyền thống, đặc biệt có thể xử lý loại bỏ được
các kim loại nặng như asen,.. đạt tiêu chuẩn cấp nước ăn, uống.
Ở Việt Nam hiện nay, có nhiều nguồn nước ngầm bị nhiễm asen, đặc biệt là
những vùng gần khu đô thị, công nghiệp. Xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành
phố Hà Nội là một trong các điểm bị nhiễm asen với hàm lượng khá cao, có mẫu
phân tích cao gấp hàng chục lần tiêu chuẩn cho phép của WHO, làm nhiễm độc
nguồn nước, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của cộng đồng, đặc biệt làm


tăng nguy cơ gây ung thư trong cơ thể con người. Trong khi đó phần lớn nguồn
nước sử dụng cho sinh hoạt hàng ngày của người dân trong xã hiện nay là các giếng
khoan khai thác nước ngầm đã bị ô nhiễm asen. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng
các công nghệ nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã
Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội là cần thiết và cấp bách.
II. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho
vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội.
III. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt
cho vùng ô nhiễm asen.
Phạm vi nghiên cứu:
Vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội.
IV. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1 Cách tiếp cận
- Tiếp cận thực tế: Đi khảo sát, nghiên cứu, thu thập các số liệu về những
vùng ơ nhiễm Asen, qua đó đánh giá thực trạng mức độ ô nhiễm Asen của
vùng nghiên cứu để đưa ra những giải pháp công nghệ phù hợp trong cấp
nước sinh hoạt, xử lý Asen đạt tiêu chuẩn cho phép.
- Tiếp cận hệ thống: Tiếp cận, tìm hiểu, phân tích hệ thống từ tổng thể đến chi

tiết, đầy đủ và hệ thống.
- Tiếp cận các phương pháp nghiên cứu mới, các công nghệ Nano trong lọc
nước của các nước trên thế giới và trong nước: Các phương pháp nghiên cứu
mới, các công nghệ mới đặc biệt là công nghệ Nano đang được các nước trên
thế giới quan tâm đặc biệt vì nó có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và
mang lại hiệu quả rất cao, trong đó ứng dụng cơng nghệ nano trong lọc nước
cấp nước có thể xử lý được các kim loại nặng có hại cho sức khỏe con người
như Asen…đạt tiêu chuẩn cấp nước ăn, uống.


- Tiếp cận có sự tham gia của những người hưởng lợi trong các dự án cấp
nước sinh hoạt: Các dự án cấp nước được thực hiện để cung cấp nguồn nước
với chất lượng đảm bảo tới người sử dụng do đó cần phải tìm hiểu, đánh giá
ý kiến, nguyện vọng của người sử dụng từ đó có thể đưa ra giải pháp công
nghệ xử lý nước cấp phù hợp với khả năng, điều kiện kinh tế của vùng
nghiên cứu.
- Tiếp cận đáp ứng nhu cầu: Tính tốn, đánh giá đúng nhu cầu nước sinh hoạt,
nước ăn uống cho vùng ô nhiễm Asen để đề xuất các giải pháp kỹ thuật cơng
nghệ phù hợp, tiết kiệm chi phí xây dựng lắp đặt thiết bị xử lý.
4.2 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp điều tra, thu thập các số liệu, tài liệu có liên quan: Điều tra thu
thập các tài liệu, số liệu liên quan về vùng ô nhiễm Asen và các công nghệ
lọc nước để phục vụ công tác đánh giá thực trạng ô nhiễm Asen trong nguồn
nước và đưa ra giải pháp công nghệ xử lý phù hợp.
- Phương pháp phân tích, xử lý, đánh giá số liệu: Các giải pháp công nghệ sẽ
được áp dụng trên cơ sở phân tích, xử lý, đánh giá số liệu được thu thập từ
thực tế nhu cầu lọc nước cấp nước vùng ô nhiễm Asen.
- Phương pháp thống kê và phân tích hệ thống: Thống kê và phân tích hệ
thống sẽgiúp cho việc xửlý đánh giá sốliệu, tài liệu và đánh giá hiệu quả
của các cơng nghệ lọc nước cấp nước chính xác và toàn diện.

- Phương pháp kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đó về cấp nước
sinh hoạt cho khu vực đã bị ô nhiễm Asen trên thế giới và trong nước (Viện
nước, tưới tiêu và Môi trường và một số cơ quan khác), kế thừa các kết quả
của công nghệ nano trong lọc nước cấp nước sinh hoạt đã được ứng dụng
trong thực tế.
- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến các chuyên gia trong lĩnh vực
cấp nước sinh hoạt và trong công nghệ, khoa học nano qua đó lựa chọn giải
pháp cơng nghệ phù hợp nhất cho lọc nước cấp nước vùng ô nhiễm Asen, xã
Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội.


V.Những kết quả đạt được
Ứng dụng được công nghệ Nano trong lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô
nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN
NGHỊ TÀI LIỆU THAM
KHẢO


CHƯƠNG 1
TỔNG
QUAN
1.1 Tổng quan về lý thuyết công nghệ Nano
1.1.1 Khái niệm

Công nghệ Nano (tiếng Anh: Nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan
đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống
bằng điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mơ nanomet (nm, 1 nm = 10 -9m).
Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên
chúng đều có chung đối tượng là vật liệu Nano. Cơng nghệ Nano bao gồm các vấn

đề chính sau đây:
- Cơ sở khoa học Nano
- Phương pháp quan sát và can thiệp
- Chế tạo vật liệu Nano
- Ứng dụng vật liệu Nano.
1.1.2 Phân loại vật liệu Nano

Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: Rắn, lỏng,
khí. Vật liệu Nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau
đó mới đến chất lỏng và khí.
Về hình dáng vật liệu, người ta phân chia thành các loại sau:
- Vật liệu Nano không chiều
- Vật liệu Nano một chiều
- Vật liệu Nano hai chiều
Ngồi ra cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano khơng chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
1.1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ Nano
Tính chất chung: Vật liệu nano có 3 tích chất như sau:
Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử:

Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được


trung bình hóa với rất nhiều ngun tử (1 µm 3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể
bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít ngun tử hơn thì
các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được
coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử.
Hiệu ứng bề mặt

Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ
đáng kể so với tổng số ngun tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề
mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu
có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
Kích thước tới hạn

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích
thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hồn tồn bị
thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt
là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính
chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích
thước vĩ mơ mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ
hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị
từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm khơng cịn đúng nữa. Lúc đó điện trở của
vật có kích thước nano sẽ tn theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu
nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà
nó được nghiên cứu.
Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính
chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta
gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.
1.1.4 Hướng ứng dụng chung

Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong
những dụng cụ thơng tin kỹ thuật có những chức năng mà trước kia chưa có. Chúng
có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang. Những vi
cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho
những sản phẩm mới và rất hữu dụng.


Nhờ vào kích thước nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại và do

đó làm tăng tỷ trọng gói. Tỷ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu
và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỷ trọng gói cao là nguyên nhân cho những
tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau. Đối với vi cấu
trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng lượng giữa
những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác
đó. Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vật liệu với tỷ
trọng cao và tỷ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ.
Những phức tạp này hoàn toàn chưa được khám phá và việc xây dựng những kỹ
thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sau sắc khoa học căn bản tìm
ẩn trong chúng. Những phức tạp này cũng mở đường cho sự tiếp cận với những hệ
thống không tuyến tính phức tạp mà chúng có thể phơ bày ra những lớp biểu hiện
trên căn bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở
quy mô micromet.
Khoa học nano là một trong những biên giới của khoa học chưa được thám
hiểm tường tận. Nó hứa hẹn nhiều phát minh kỹ thuật lý thú nhất.
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước trên thế giới

Theo đánh giá tổng hợp của các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu về vật
liệu Nano, có 10 ứng dụng hàng đầu của vật liệu Nano trong khoa học kỹ thuật và
đời sống, được thống kê ở Bảng 1.1

Bảng 1.1: Ứng dụng vật liệu Nano trong khoa học kỹ thuật và đời sống
STT
1

Ứng dụng
Dự trữ, sản xuất và chuyển biến năng lượng

2 Tăng sản lượng nơng nghiệp
3

Xử lý nước

4

Chẩn đốn bệnh và chiếu chụp

5

Hệ thống cung cấp thuốc


6

Chế biến và dự trữ thực phẩm

7

Kiểm sốt ơ nhiễm

8

Xây dựng

9

Giám sát sức khỏe

10

Phát hiện và kiểm soát sâu bệnh

Ứng dụng vật liệu Nano trong xử lý nước có vai trò quan trọng và mở ra nhiều
cơ hội được sử dụng nước sạch cho người dân các nước đang phát triển. Hiện nay,
các nhà khoa học đã nghiên cứu, phát triển công nghệ xử lý nước bằng vật liệu
Nano và đã có một số sản phẩm điển hình ra đời và được ứng dụng khá rộng rãi:
1. Xốp Nano giữ nước mưa do Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) sản xuất:
Hợp chất polymer và các hạt Nano thủy tinh được phủ trên bề mặt như vải để hút
nước. Xốp Nano hoạt động hiệu quả hơn so với vật liệu truyền thống. Xốp Nano
dùng để giữ nước mưa ở các nước: Trung Quốc, Neepal và Thái Lan.
2. Hạt Nano từ tính xử lý asen do Đại học Rice (Hoa Kỳ) sản xuất: Các hạt Nano từ
tính gồm các ion oxit lơ lửng trong nước liên kết với asen, sau đó loại bỏ bằng
một nam châm. Ấn Độ, Bangladesh và các nước đang phát triển khác có hàng
nghìn trường hợp nhiễm độc asen mỗi năm là do các giếng nước bị ô nhiễm
asen.
3. Màng khử mặn do Đại học California, Los Angeles và NanoH2O sản xuất: Hợp
chất polyme và hạt Nano hút các ion nước và đẩy muối hòa tan. Màng khử mặn
đã có mặt trên thị trường, cho phép khử mặn với chi phí năng lượng thấp hơn so
với phương pháp thẩm thấu.
4. Màng lọc Nano do Công ty Saehan (Hàn Quốc) sản xuất: Màng lọc Nano được
sản xuất từ polyme có kích thước lỗ từ 0,1÷10 Nano mét. Màng lọc Nano được
thử nghiệm xửlý nước uống ở Trung Quốc và khử mặn nước ở Iran địi hỏi ít
năng lượng hơn phương pháp thẩm thấu ngược.
5. Que nước trong lưới Nano do Phịng thí nghiệm Seldon (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết
bị lọc có hình dạng như cọng rơm sử dụng các ống Nano cácbon đặt lên trên vật
liệu dẻo có lỗ. Que nước làm sạch nước uống.
6. Thiết bị lọc thông dụng do Công ty KX (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết bị lọc sử dụng


lớp sợi Nano được chế tạo từ các polyme, nhựa thông, gốm và các vật liệu khác

để xử lý các chất ô nhiễm. Thiết bị được chế tạo dành riêng cho hộ gia đình trong
cộng đồng ở các nước đang phát triển sử dụng. Các thiết bị lọc hiệu quả, dễ sử
dụng và không cần phải bảo dưỡng.
7. Thiết bị lọc thuốc bảo vệ thực vật do Viện Công nghệ Ấn Độ ở Chennai và Công
ty TNHH Eureka Forbes (Ấn Độ) sản xuất: Thiết bị này sử dụng bạc Nano để hút
và sau đó phân hủy 3 loại thuốc bảo vệ thực vật thường thấy trong các nguồn
cung cấp nước ở Ấn Độ. Thuốc bảo vệ thực vật thường tồn tại trong các nguồn
cung cấp nước của các nước đang phát triển. Thiết bị lọc thuốc bảo vệ thực vật
có thể cung cấp cho mỗi hộ gia đình ở Ấn Độ 6000 lít nước sạch mỗi năm.
1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ Nano trong lọc nước ở Việt Nam

Hiện nay, trong nước sử dụng rất nhiều công nghệ để xử lý nước phục vụ sinh
hoạt như:
- Xử lý nước bằng các công nghệ truyền thống.
- Xử lý nước bằng công nghệ màng (lọc màng RO - thẩm thấu ngược)
- Xử lý nước bằng các công nghệ lọc: Dùng than hoạt tính, hạt vật liệu
lọc, vật liệu lọc Nano ...
Công nghệ lọc bằng vật liệu Nano cịn khá mới mẻ, một cơng nghệ hiện đại
cho hiệu quả xử lý cao, giá thành phù hợp. Ở Việt Nam công nghệ Nano cũng đã
thu hút được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu, trong đó có nghiên cứu chế tạo
ống Nano cacbon. Cơ sở đầu tiên chế tạo thành công ống Nano cacbon ở Việt Nam
là Viện Khoa học vật liệu (IMS) thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
(VAST). Trung tâm ITIMS (thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội) là cơ sở thứ hai chế
tạo thành công Carbon Nanotubes (CNTs) vào năm 2003, tiếp theo đó là Viện Vật
lý Kỹ thuật (trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) vào khoảng đầu năm 2005. Năm
2007 Tiến sỹ Nguyễn Hoài Châu và tập thể các nhà khoa học Viện Công nghệ môi
trường (Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài "Nghiên cứu công
nghệ chế tạo vật liệu lọc Nano từ axetat xenlulo và ứng dụng lọc Nano trong quy
trình xử lý nước sinh hoạt bị ô nhiễm". Đề tài thiết kế chế tạo một thiết bị lọc Nano

cơng suất 100 lít nước/h, có khả năng xử lý các nguồn nước sinh hoạt, nước thải bị
ô nhiễm asen có độ cứng cao hơn mức cho phép 4 - 5 lần và xử lý nước thải có
COD lớn hơn 5000 mg/l. Kết quả nghiên cứu cho thấy, màng lọc Nano có khả năng
tách Albumin và khả năng bắt giữ chọn lọc đối với các chất điện ly có hóa trị khác
nhau như NaCl, Na2SO4 và MgCl2...tương đương với màng Osmonics của Mỹ. Vật
liệu màng được chọn sử dụng ở đây là Axentat xenlulo, một sản phẩm có thể dễ
dàng đặt mua trong nước. Ưu điểm lớn nhất của lọc Nano là, với công nghệ này
người ta không phải đưa thêm một loại hóa chất hay vi sinh nào vào nước mà vẫn
lấy đi được những tạp chất bẩn. Công nghệ này có thể xử lý các nguồn nước có độ
cứng toàn phần và COD cao cũng như đối với nước có màu và nước nhiễm phèn
chua mặn.
Tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ Nano trong những năm gần đây nhưng ngành
cơng nghệ Việt Nam cũng có những bước chuyển tạo ra sức hút mới. Nhà nước
cũng đã dành một khoản ngân sách khá lớn cho chương trình nghiên cứu công nghệ
Nano cấp quốc gia với sự tham gia của nhiều trường Đại học và Viện nghiên cứu.
Hàng năm, nhiều cuộc hội thảo trao đổi kinh nghiệm về nghiên cứu vật liệu Nano
đã được tổ chức như: Hội thảo về ứng dụng công nghệ Nano sản xuất các thiết bị xử
lý và lọc nước do hội Thông tin Khoa học kỹ thuật thành phố Hà Nội, công ty
Vivina phối hợp với Tập đoàn Biocera (Hàn Quốc) tổ chức ngày 24/9/2004, tại Hà
Nội. Biocera đã giới thiệu việc sử dụng công nghệ Nano chế tạo hạt Ceramic dùng
để xử lý nước. Từ các dạng hạt này, sản xuất ra các thiết bị lọc nước dùng trong
sinh hoạt (sản phẩm đã được Bộ Y tế và cơ quan an toàn thực phẩm Hoa Kỳ (FDA)
chứng nhận chất lượng); Hội thảo quốc tế về khoa học vật liệu tiên tiến và công
nghệ Nano tổ chức ngày 16/9/2008 tại Nha Trang. Hội nghị nhằm nâng cao khả
năng hợp tác về công nghệ vật liệu giữa các nước ASEAN và thúc đẩy nghiên cứu
công nghệ Nano ở Việt Nam.
Ngoài ra, rất nhiều các nhà khoa học đã có các đề tài, cơng trình khoa học
nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lĩnh vực xử lý nước và đã đạt được
những ý nghĩa thiết thực có thể áp dụng trong thực tiễn như: Viện Nước, Tưới tiêu

và Môi trường với đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị sử dụng vật liệu
Nano để xử lý nước có nhiễm Asen phục vụ cấp nước sinh hoạt nông thôn”, do
PGS.TS Hà Lương Thuần làm chủ nhiệm thực hiện 2008-2010. Trên cơ sở tiếp thu
ứng dụng công nghệ tiên tiến thông qua việc hợp tác với Viện hàn lâm KH tự nhiên
Liên bang Nga, kết hợp với cải tiến ứng dụng cho phù hợp với công nghệ sản xuất,
chế tạo, phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam, đề tài đã nghiên cứu thiết kế
và sản xuất ứng dụng thành công thiết bị sử dụng vật liệu Nano để xử lý nước có
nhiễm Asen đạt tiêu chuẩn cấp nước ăn uống với nhiều quy mô lọc nước khác nhau:
Thiết bị lọc quy mô hộ gia đình, cụm gia đình và thiết bị lọc quy mơ cụm dân cư,
trường học, trạm y tế.
1.4 Tổng quan về nhu cầu nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm Asen

Các giải pháp cấp nước sinh hoạt vùng ô nhiễm Asen có thể sử dụng là: Với
quy mơ hộ gia đình có thể sử dụng bểchứa nước mưa, giếng đào, giếng khoan hộ
gia đình hoặc sử dụng nguồn nước cấp từ các trạm xử lý nước tập trung quy mô nhỏ
đến quy mô lớn. Tuy nhiên với giải pháp sử dụng nguồn nước ngầm thì nguồn nước
cần phải được qua xử lý trước khi đưa vào sử dụng cho sinh hoạt và ăn uống.
Theo sự chỉ đạo của Ban chủ nhiệm chương trình mục tiêu Quốc gia về
Nước sạch & VSMT và được sự giúp đỡ của tổ chức Unicef. Từ năm 2004 đến
tháng 9/2006, Trung tâm NSH & VSMTNT tỉnh Hà Tây cũ đã tiến hành lấy 15.771
mẫu nước lấy từ các giếng đào, các bể chứa nước, các trạm cấp nước tập trung và
giếng khoan khai thác nước trong các tầng chứa nước qh và qp. Kết quả tổng hợp
tất cả các mẫu nước cho thấy huyện Thanh Oai bị nhiễm Asen cao nhất trong tỉnh
với tỷ lệ mẫu nhiễm là 51,12%.
Điều tra hiện trạng thực tế trên địa bàn huyện Thanh Oai tại 3 xã : Cao
Dương, Xuân Dương, Cự khê, là 3 xã được đánh giá là bị ô nhiễm nghiêm trọng
nhất bởi Asen trong nước ngầm.
Bảng 1.2: Hiện trạng ô nhiễm Asen tại Hà Tây cũ (năm 2008)

Tổng
T
T

Huyện

số

Số mẫu nước bị nhiễm Asen (mg/l)
Tổng

Chia ra

Tỷ lệ
nhiễm


mẫu

số

0,05-0,07 0,07-0,1 0,1-0,2

> 0,2

Asen

1 Chương Mỹ

1.319

54

32

17

5

2 Ưng Hòa

2.967

1.381

227

385

538

231

46,55

356

106

51,12

96

40,98

3 Thanh Oai

2.864

1.464

500

502

3,87

4 Đan Phượng

1.242

509

102

165

146

5 Hồi Đức

2.000

749

494

210

45

37,45

6 Phúc Thọ

5.32

165

70

61

34

31,02

7 Ba Vì

455

16

8

6

2

3,52

8 Mỹ Đức

891

160

60

34

37

29

17,96

1.479

634

91

107

293

143

42,87

322

271

49,69

1.778

876

38,67

7,1%

38,67

9 Phú Xuyên
10 Thường Tín
Tổng

1.946

967

141

233

15.771

6.099

1.725

1720

% so với tổng số 100% 49,40%

13,97%

13,93% 14,40%

Nguồn: Trung tâm NSH & VSMTNT tỉnh Hà Tây cũ
Trong khi đó, theo kết quả điều tra sơ bộ tại Cao Dương gần 100% các hộ
gia đình ở đây sử dụng nguồn nước ăn uống, sinh hoạt là nước giếng khoan và nước
mưa, trong đó nước giếng khoan là chủ yếu( khoảng 80% ). Nhiều hộ gia đình dùng
nước giếng khoan trực tiếp không qua bể lọc.
Việc dùng nước sinh hoạt không hợp vệ sinh ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức
khỏe con người, đặc biệt với nguồn nước sinh hoạt bị ô nhiễm Asen. Sử dụng

nguồn nước bị nhiễm Asen trong sinh hoạt, lâu dài sẽ có thể dẫn tới ung thư.
Theo các nghiên cứu, đánh giá của WHO thì nếu bịnhiễm độc asen ở mức độ thấp,
mỗi ngày một ít với liều lượng dù nhỏ nhưng trong thời gian dài sẽ gây: mệt mỏi,
buồn nôn và nôn, hồng cầu và bạch cầu giảm, da sạm, rụng tóc, sút cân, giảm trí
nhớ, mạch máu bị tổn thương, rối loạn nhịp tim, đau mắt, đau tai, viêm dạ dày và
ruột, làm kiệt sức, ung thư...,


Hình 1.1: Ơ nhiễm Asen gây bệnh ung thư da
Do đó việc đánh giá hiện trạng chất lượng nguồn nước nhằm đưa ra các giải
pháp cơng nghệ thích hợp, hiệu quả và kinh tế để xử lý nước cấp cho ăn uống, sinh
hoạt cần phải được nghiên cứu và triển khai để đáp ứng nhu cầu cấp bách về nước
sinh hoạt cho người dân nơi đây.
1.5 Giải pháp xử lý nước trong vùng ô nhiễm Asen hiện nay

Nhu cầu về một nguồn nước an toàn cho sinh hoạt của người dân rất cần
thiết và việc mong muốn có một hệ thống xử lý, cấp nước tập trung trong xã vẫn
chưa thực hiện được do thiếu điều kiện kinh phí. Hiện tại, người dân vẫn phải sử
dụng nguồn nước ngầm qua lọc cát đơn giản để phục vụ mục đích sinh họat chung
trong gia đình bên cạnh nguồn nước mưa hàng năm dùng cho ăn, uống.
Để khắc phục được các nhược điểm trên, Tổ chức thực hiện đã hồn thiện
cơng nghệ xử lý nước sử dụng vật liệu nano để tạo ra các sản phẩm thiết bị lọc nước
phù hợp cho vùng ơ nhiễm Asen xã Cao Dương và có thể áp dụng cho khu vực
đồng bằng sông Hồng.
Công nghệ xử lý được hồn thiện bằng nhiều giải pháp tích hợp (xử lý sơ bộ
bằng lắng, lọc cát; xử lý tinh bằng vật liệu lọc đa năng, than hoạt tính, vật liệu trao
đổi ion; xử lý triệt để bằng vật liệu lọc Nano), thiết bị có các nhánh lọc thơ và lọc
tinh để cấp nước sinh hoạt và nhánh xử lý triệt để cấp nước phục vụ ăn uống. Thiết

bị xử lý nước có thể lắp đặt ở quy mơ hộ gia đình hoặc quy mơ cụm gia đình,
trường học.
1.6 Kết luận chương 1

Nhu cầu nước sạch là nhu cầu không thể thiếu được trong đời sống con người.
Việc cung cấp đầy đủ nước sạch đảm bảo yêu cầu về chất lượng và số lượng luôn
luôn là thách thức đối với các nước đang phát triển. Tình trạng này càng trầm trọng
hơn đối với khu vực mà nguồn nước đang bị ô nhiễm trầm trọng, đặc biệt là các khu
vực mà nguồn nước bị ô nhiễm Asen nặng, gấp nhiều lần tiêu TCCP. Trên thế giới
cũng như ở Việt Nam đã có cái nhìn nhận giải quyết bài tốn thiếu nước sạch là áp
dụng các giải pháp cấp nước, các công nghệ xử lý nước nhằm sử dụng hiệu quả và
tiết kiệm nguồn tài nguyên quý giá này. Công nghệ Nano cũng đã được quan tâm,
nghiên cứu ứng dụng để góp phần giải quyết bài tốn thiếu nước sạch trên toàn thế
giới cũng như ở Việt Nam.


CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC,
CẤP NƯỚC SINH HOẠT CHO VÙNG Ô NHIỄM ASEN
2.1 Đánh giá nguồn nước sinh hoạt và các phương pháp xử lý nước sinh hoạt truyền thống

Nguồn nước sử dụng cho mục đích sinh hoạt, ăn uống cho vùng ơ nhiễm
Asen là nước mưa và nước ngầm. Trong đó chủ yếu là sử dụng nước ngầm được
bơm lên từ các giếng khoan để sử dụng cho sinh hoạt, nước mưa được sử dụng cho
ăn uống.
a. Nước mưa
Nước mưa là nguồn nước có thể tích trữ được dễ dàng và chỉ cần xử lý đơn
giản là đun sơi để nguội là có thể dùng để uống.
Bể chứa nước mưa là một công trình thu nước mưa sử dụng cho mục đích sinh
hoạt. Bể chứa có dung tích thường từ 4m 3 đến 10m3, được xây dựng kiên cố tại một

nơi nào đó. Bể có thể xây bằng gạch, bê tơng, chìm dưới đất hay nửa trên nửa dưới
sao cho phù hợp với địa hình nơi cư trú. Một cơng trình chứa nước hoàn chỉnh phải
bao gồm cả phần mái hứng, máng thu, ống dẫn và bể chứa.
Mái hứng: Tốt nhất là mái ngói, mái tơn hoặc mái bằng bê tơng. Diện tích mái
hứng cần đủ rộng để hứng đủ lượng nước mưa cần thiết.
Máng thu: Máng đóng vai trị quan trọng trong việc thu hứng, cần được treo
đỡ cẩn thận để hứng được nhiều nước nhất trong mỗi lần mưa. Không nên lấy nước
từ mái lợp fibroximang, bởi một lượng nhỏ bột amiang từ ngói có thể lẫn vào nước,
gây độc. Chỉ nên hứng nước mưa bằng mái tơn và mái ngói hoặc mái bê tông.


Hình 2.1: Bể ngầm trữ nước mưa

Hình 2.2: Bể trữ nước mưa nổi
b. Nước ngầm
- Giếng khoan hộ gia đình sử dụng để thu nước ngầm thường được khoan
bằng máy. Cấu tạo của giếng khoan bao gồm: Ống lắng, ống lọc, ống chống, cổ
giếng,…


Hình 2.3: Giếng khoan kết hợp máy bơm
- Bể lọc cát đơn giản: Lọc nước giếng khoan bằng bể lọc cát đơn giản là biện
pháp xử lý đơn giản mà các gia đình đều có thể tự làm được với chi phí thấp,
vận hành bảo dưỡng dễ dàng.

Hình 2.4: Bể lọc cát đơn giản