Tổng hợp oxit hỗn hợp fe2o3 mn2o3 kích thước nanomet hấp phụ amoni, asen, sắt và mangan trong nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

BÙI THỊ HIỀN

TỔNG HỢP OXIT HỖN HỢP Fe2O3- Mn2O3 KÍCH THƯỚC
NANOMET HẤP PHỤ AMONI, ASEN, SẮT VÀ MANGAN
TRONG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

Thái nguyên – Năm 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.Lƣu Minh Đại
ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành
luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Khoa Học Vật liệu, các anh
chị , em trong phịng Vật liệu Vơ cơ - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và
Công nghệ Việt Nam, các thầy cô giáo trong trƣờng Đại học Sƣ phạm Thái Nguyên
đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập và thực
hiện đề tài.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các phịng có liên quan tại Viện Hố học,
Viện khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tơi
trong q trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, ngƣời thân trong gia đình đã ln
ln quan tâm, động viên, giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập và nghiên cứu.

Tác giả Luận văn

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




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn là cơng trình nghiên cứu của tơi dƣới
sự hƣớng dẫn của PGS. TS. Lƣu Minh Đại. Các số liệu và kết quả nêu trong luận
văn là hoàn toàn trung thực.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Bùi Thị Hiền

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




i

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... iv

DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT ........................... vi

MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Phần 1: TỔNG QUAN ................................................................................................2
1.1.Tài nguyên nƣớc và sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ................................................2
1.1.1.Tài nguyên nƣớc .................................................................................................2
1.1.2. Nguồn nƣớc ngầm .............................................................................................2
1.1.3. Sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ............................................................................3
1.1.4. Tác hại của amoni, asen, mangan, sắt đối với con ngƣời. ................................6
1.1.4.1. Amoni .............................................................................................................6
1.1.4.2. Asen ................................................................................................................6
1.1.4.3. Sắt ...................................................................................................................8
1.1.4.4. Mangan ...........................................................................................................8
1.2. Các giải pháp xử lí asen, sắt, mangan và amoni. .................................................9
1.2.1. Phƣơng pháp trao đối ion .................................................................................9
1.2.2. Phƣơng pháp đồng kết tủa ..............................................................................10
1.2.3. Phƣơng pháp oxi hóa ......................................................................................11
1.2.4. Phƣơng pháp hấp phụ ......................................................................................12
1.2.4.1. Khái niệm chung ..........................................................................................12
1.2.4.2. Hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học ...............................................................12
1.2.4.3. Cân bằng hấp phụ và tải trọng hấp phụ ........................................................13
1.2.4.4. Phƣơng trình động học hấp phụ ...................................................................14
1.2.5. Một số cơng nghệ xử lí nƣớc nhiễm asen, amoni, sắt, mangan. .....................15
1.3. Lựa chọn phƣơng pháp loại bỏ Asen, sắt, mangan và amoni ............................18
1.4. Công nghệ nano..................................................................................................20
1.4.1.Vật liệu nano ....................................................................................................20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ii

1.4.1.1 Giới thiệu về vật liệu nano ............................................................................20
1.4.1.2. Một số ứng dụng của vật liệu nano ..............................................................20
1.4.2. Một số phƣơng pháp tổng hợp oxit nano. .......................................................21
1.4.2.1. Phƣơng pháp đồng kết tủa ............................................................................21
1.4.2.2.Phƣơng pháp gốm truyền thống ...................................................................22
1.4.2.3. Phƣơng pháp đồng tạo phức ........................................................................22
1.4.2.4. Phƣơng pháp sol – gel .................................................................................23
1.4.2.5. Phƣơng pháp đốt cháy gel polime ...............................................................24
Phần 2: KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........26
2.1. Hóa chất và thiết bị ............................................................................................26
2.1.1. Thiết bị ............................................................................................................26
2.1.2. Hóa chất ..........................................................................................................26
2.2. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu ..........................................................................26
2.2.1. Tổng hợp oxit hệ mangan - sắt kích thƣớc nanomet .......................................26
2.2.2. Tổng hợp vật liệu chứa oxit nano hệ Fe – Mn trên cát thạch anh. ..................27
2.3 Nghiên cứu hấp phụ theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ......................27
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu ......................................................................29
2.4.1. Các phƣơng pháp phân tích .............................................................................29
2.4.1.1. Phƣơng pháp phân tích nhiệt ........................................................................29
2.4.1.2. Phƣơng pháp nhiễu xạ rơnghen....................................................................30
2.4.1.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua
(TEM) ........................................................................................................................30
2.4.1.4. Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt (BET) .....................................................31
2.3.1.5. phƣơng pháp xác định điểm điện tích khơng của vật liệu............................31
2.4.2.Các phƣơng pháp xác định hàm lƣợng kim loại trong nƣớc ............................32
2.4.2.1. Phƣơng pháp xác định Asen.........................................................................32
2.4.2.2. Phƣơng pháp xác định sắt ............................................................................32
2.4.2.3. Phƣơng pháp xác định Mangan ...................................................................32
2.4.2.4. Phƣơng pháp xác định amoni ......................................................................33

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




iii

Phần 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .....................................................................34
Chƣơng 1: VẬT LIỆU OXIT HỖN HỢP HỆ Fe - Mn .............................................34
1.1. Tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp hệ Mn –Fe kích thƣớc nanomet .......................34
1.1.1 kết quả phân tích nhiệt .....................................................................................34
1.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung . .........................................................35
1.1.3.Lựa chọn tỉ lệ mol kim loại ..............................................................................36
1.1.4.Khảo sát ảnh hƣởng của pH tạo gel .................................................................37
1.1.5.Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ tạo gel .........................................................38
1.1.6. Điện tích điểm khơng của vật liệu ..................................................................39
1.2. Đánh giá khả năng hấp phụ asen trên oxit hệ Fe – Mn ......................................40
1.2.1. Khảo sát sự hấp phụ của As trên vật liệu oxit hỗn hợp Fe – Mn ....................41
1.2.2. Đánh giá khả năng hấp phụ Amoni trên vật liệu hệ Fe – Mn ........................45
1.2.3. Đánh giá khả năng hấp phụ sắt trên oxit hệ Mn – Fe .....................................47
1.2.4. Đánh giá khả năng hấp phụ mangan trên oxit hệ Mn – Fe. ............................49
1.3. Một số yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu. ...........................51
1.3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của pH ............................................................................51
1.3.2.Khảo sát ảnh hƣởng của sự có mặt cation NH4+, Mn2+ và Fe3+ .......................52
1.3.3.Khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiệt độ ................................................................52
Chƣơng 2: VẬT LIỆU OXIT HỖN HỢP HỆ Fe – Mn TRÊN CÁT THẠCH ANH
...................................................................................................................................54
2.1. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu ..........................................................................54
2.2.Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu oxit hệ Fe - Mn /CTA. ........................55
2.2.1.Khảo sát sự hấp phụ As theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir ...........................55

2.2.2.khả năng hấp phụ amoni trên oxit hệ Fe – Mn / CTA ....................................57
2.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ sắt trên oxit hệ Fe – Mn/CTA .............................58
2.2.4.Khảo sát khả năng hấp phụ mangan trên oxit hệ Fe – Mn /CTA.....................59
KẾT LUẬN ...............................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................62

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




iv

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Đƣờng cong động học biểu thị sự phụ thuộc của tải trọng hấp phụ vào
thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ ( C1 > C2) ......................................................14
Hình 2.1. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt langmuir và Sự phụ thuộc Cf/q vào Cf .........29
Hình 3.1.Giản đồ phân tích nhiệt DTA và DGA của mẫu gel Fe – Mn ...................35
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen đƣợc nung ở các nhiệt độ khác nhau .............36
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu chế tạo ở tỉ lệ Fe/ Mn khác nhau. ...37
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu đƣợc tổng hợp ở pH khác nhau ......38
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau.....38
Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu nung ở 4500C .............................................................39
Hình 3.7. Đồ thi biểu diễn sự phụ thuộc của ΔpH vào pHi .......................................40
Hình 3.8. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Asen..............................42
Hình 3.9. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ As(III) trên vật liệu oxit hệ Mn – Fe. ............43
Hình 3.10. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên vật liệu oxit hệ Mn - Fe ............44
Hình 3.11. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ amoni ..........................46
Hình 3.12. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ amoni trên oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn ...........47
Hình 3.13. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ đối với sắt ...................48

Hình 3.14. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) trên vật liệu oxit hệ Mn – Fe ..........49
Hình 3.15. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ mangan .......................50
Hình 3.16. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) trên oxit hệ Fe - Mn .........................51
Hình 3.17. Biểu đồ sự phụ thuộc của lnkđ vào

1 3
.10 ............................................53
T

Hình 3.18. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu oxit hỗn hợp .............................55
Hình 3.19. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ As(III) trên oxit hệ Fe - Mn /CTA. ............56
Hình 3.20. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên ôxit hệ Fe - Mn /C TA..............57
Hình 3.21. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ amoni trên oxit hệ Fe – Mn/CTA ...............58
Hình 3.22. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) trên hệ Fe -Mn /C T.A. ....................59
Hình 3.23. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) trên oxit hệ Fe – Mn /CTA ..............60

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




v

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Một số công nghệ xử lí nƣớc nhiễm asen, sắt, mangan, amoni [20,21] ...15
Bảng 3.1. Bảng kết quả xác định các giá trị pH ........................................................40
Bảng 3.2.Dung lƣợng hấp phụ As của các mẫu với tỉ lệ Fe/Mn khác nhau .............41
Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ As(III) trên oxit hệ Mn –
Fe ...............................................................................................................................41
Bảng 3.4. Dung lƣợng hấp phụ As(III) trên oxit hỗn hợp hệ Fe - Mn ....................42

Bảng 3.5:Dung lƣợng hấp phụ As(V) trên oxit hệ Mn - Fe ....................................43
Bảng 3.6. Dung lƣợng hấp phụ của một số oxit nano ...............................................45
Bảng 3.7. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ amoni ...........................45
Bảng 3.8. Dung lƣợng hấp phụ amoni trên oxit hỗn hợp hệ Fe – Miền Nam ..........46
Bảng 3.9. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ sắt .................................47
Bảng 3.10. Dung lƣợng hấp phụ Fe(III) trên vật liệu oxit hệ Mn - Fe. ....................48
Bảng 3.11. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) trên oxit ..........49
hệ Fe - Mn .................................................................................................................49
Bảng 3.12: Dung lƣợng hấp phụ Mn(II) trên vật liệu oxit hệ Mn - Fe .....................50
Bảng 3.13: Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất hấp phụ asen tr ên oxit hệ Fe- Mn ....51
Bảng 3.14: Ảnh hƣởng của cation đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối với As (V). .....52
Bảng 3.15. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của oxit hệ Fe- Mn ......52
Bảng 3.16: Kết quả xác định hàm lƣợng sắt, mangan trên cát thạch anh. ................54
Bảng 3.17: Dung lƣợng hấp phụ As(III) trên vật liệu oxit hệ Mn - Fe/ CTA. ..........55
Bảng 3.18:Dung lƣợng hấp phụ As(V) trên oxit hệ Fe - Mn / T.A. .........................56
Bảng 3.19. Dung lƣợng hấp phụ amoni trên oxit hệ Fe – Mn /TA ...........................57
Bảng 3.20. Dung lƣợng hấp phụ Fe(III) trên hệ Fe - Mn / CT.A. ...........................58
Bảng 3.21 . Dung lƣợng hấp phụ Mn(II) trên oxit hệ Fe – Mn/CTA ......................59

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




vi

CÁC CHỮ VÀ KÍ HIỆU VIẾT TẮT
XRD

Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X

SEM

Kính hiên vi điện tử quét

CS

Tổng hợp đốt cháy

SHS

Quá trình lan truyên nhiệt độ cao phát sinh trong phản ứng

PVA

poly vinyl alcohol

BET

Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

KL/PVA

Tỉ lệ kim loại lấy theo tỉ lƣợng trên poly vinyl alcohol theo mol

CTA

Cát thạch anh

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




1

MỞ ĐẦU
Nƣớc là một tài ngun đóng vai trị quan trọng trong sinh hoạt và sản xuất,
nó tồn tại song song với sự phát triển của con ngƣời, ở đâu có nƣớc thì ở đó có sự
sống. Ngày nay, với tốc độ Cơng nghiệp hố, Đơ thị hố khá nhanh và sự gia tăng
dân số đã gây áp lực nặng nề đối với môi trƣờng nƣớc, theo thông báo của Bộ tài
nguyên môi trƣờng nƣớc đang bị ô nhiễm nặng nề bởi các chất vơ cơ và hữu cơ,
trong đó thì amoni và một số kim loại nặng gây ra nhiều tác hại nguy hiểm đối với
con ngƣời và môi trƣờng sống, nó tiềm ẩn nguy cơ gây bệnh nhƣ ung thƣ, mẩn
ngứa, biến đổi gel…Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu nƣớc cho ngƣời dân cùng với việc
tìm ra những nguồn nƣớc sạch thì vấn đề xử lí loại bỏ amoni, và một số kim loại
nhƣ asen, sắt, mangan trong nƣớc là cần thiết. Có rất nhiều phƣơng pháp để loại bỏ
amoni, sắt, asen và mangan ra khỏi nƣớc nhƣ: Phƣơng pháp oxi hoá, phƣơng pháp
trao đổi ion phƣơng pháp vi sinh, phƣơng pháp hấp phụ… và đã có nhiều loại vật
liệu để xử lí asen, amoni, sắt và mangan nhƣ đá ong, bentonit, diatonit …
Hiện nay, vật liệu hấp phụ chứa oxit kim loại có kích thƣớc nanomet đã và
đang thu hút đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà khoa học vì khả năng vƣợt trội của nó
so với các vật liệu thông thƣờng.
Việt Nam là một quốc gia giầu tài nguyên sắt và mangan, đây là nguồn
nguyên liệu đầu vào ổn định, giá thành hợp lí để chế tạo vật liệu hấp phụ hệ Fe –
Mn kích thƣớc nanomet để xử lí sắt, mangan, asen và amoni. Dựa trên cơ sở đó,

nhằm đẩy mạnh hƣớng cơng nghệ chế tạo vật liệu kích thƣớc nanomet và ứng dụng
loại sản phẩm này vào cuộc sống và sản xuất cũng nhƣ sử dụng tài ngun có sẵn ở
trong nƣớc. Vì vây, chúng tôi đã lựa chọn nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu chế tạo
vật liệu kích thước nanomet hệ Fe – Mn để hấp phụ sắt, mangan, asen và amoni
trong nước”.

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




2

Phần 1
TỔNG QUAN
1.1.Tài nguyên nƣớc và sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc
1.1.1.Tài nguyên nước
Nƣớc là thành phần của sinh quyển và đóng vai trị điều hịa các yếu tố của khí
hậu, đất đai và sinh vật thơng qua chu trình vận động của nó. Nƣớc cịn chứa đựng
những tiềm năng khác, đáp ứng những nhu cầu đa dạng của con ngƣời, trong sinh
hoạt hàng ngày của con ngƣời, trong nông nghiệp, trong sản xuất công nghiệp, tạo
ra điện năng và nhiều thắng cảnh thiên nhiên hùng vĩ.
Trên thế giới, các đại dƣơng chiếm diện tích khoảng 361 triệu km2 ( 71%
diện tích bề mặt trái đất). Trữ luợng của tài nguyên nƣớc có khoảng 1,5 tỉ km3,
trong đó gần 97% là nƣớc Đại dƣơng, khoảng 3,34% ( khoảng 28,25 triệu km3
nhƣng phần lớn là ở dạng đóng băng. Trên thực tế lƣợng nƣớc có thể sử dụng đƣợc
chỉ khoảng 4,2 triệu km3 (0,28% thủy quyển).
Nƣớc ao, hồ, sông và đại dƣơng nhờ năng lƣợng mặt trời bốc hơi vào khí
quyển, hơi nƣớc ngƣng tụ rồi lại mƣa rơi xuống bề mặt trái đất, nƣớc chu chuyển
trong phạm vi toàn cầu tạo nên các cán cân bằng nƣớc và tham gia vào q trình

điều hịa khí hậu trái đất, hơi nƣớc thốt ra từ các lồi thực vật làm tăng độ ẩm của
khơng khí, một phần nƣớc mƣa thấm qua thành nƣớc ngầm, nƣớc ngầm và nƣớc
mặt đều hƣớng ra biển để tuần hồn trở lại, đó là một chu trình nƣớc. Tuy nhiên
lƣợng nƣớc ngọt, nƣớc mƣa trên hành tinh phân bố không đều, nƣớc tự nhiên tập
trung phân bố ở biển và đại dƣơng, sau đó đến khối băng ở các cực rồi nƣớc ngầm.
Nƣớc ngọt tầng mặt chỉ chiếm tỉ lệ không đáng kể.
1.1.2. Nguồn nước ngầm
Nhu cầu nƣớc trong sinh hoạt và công nghiệp tồn tại song song với sự phát
triển của con ngƣời, ở đâu có nƣớc thì ở đó có sự sống. Thực tế lƣợng nƣớc dự trữ
trên trái đất không nhiều mà nhu cầu sử dụng lại rất lớn. Để đáp ứng nhu cầu dùng
nƣớc con ngƣời khơng ngừng tìm các nguồn nƣớc mới và các xử lí nguồn nƣớc.
Nƣớc khai thác gồm hai loại có nguồn gốc khác nhau là nƣớc nƣớc mặt và nƣớc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

ngầm. Nƣớc mặt là nƣớc trong sông, hồ, ao, suối. Nƣớc sơng chảy qua nhiều vùng
đất khác nhau vì thế lẫn nhiều tạp chất hàm lƣợng cặn cao (nhất là vào mùa lũ) có
nhiều chất hữu cơ. Rong tảo, vi trùng, dễ bị ơ nhiễm. Nƣớc ao, hồ tuy có hàm lƣợng
cặn thấp hơn nƣớc sông nhƣng độ mầu và phù du rong tảo nhiều hơn. Nguồn nƣớc
ngầm có đƣợc là do sự thẩm thấu của nƣớc mặt, nƣớc mƣa, nƣớc trong khơng khí,
qua các tầng vỉ đất đá tạo nên những túi nƣớc trong lịng đất. Trong q 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 ngấm nƣớc ( đất sét và
hoàng thổ). Nƣớc ngầm ở Việt Nam nói chung là có hàm lƣợng muối cao, hàm
lƣợng sắt, mangan, magie cũng cao hơn so với trên thế giới. nƣớc ngầm có ƣu điểm

là có tính ổn định hơn nƣớc mặt, nƣớc ngầm có hàm lƣợng chất hữu cơ thấp, vi
trùng gần nhƣ khơng có, các thành phần tƣơng đối ổn định và ít bị ơ nhiễm nhƣ
nƣớc mặt, khi khai thác nƣớc ngầm ngoài chất lƣợng nƣớc những thông số khác
nhƣ mực nƣớc tĩnh, mực nƣớc động ( thay đổi do bơm lên với một lƣu lƣợng xác
định) và quá trình giảm mực nƣớc trong giếng theo thời gian cần đƣợc quan tâm.
1.1.3. Sự ô nhiễm môi trường nước
Nƣớc trong tự nhiên đƣợc hình thành ảnh hƣởng của các q trình tự nhiên,
khơng có sự tác động của nhân sinh, việc chuyển từ nƣớc mặt sang nƣớc ngầm tạo
ra sự cải thiện quan trong về vệ sinh dịch tễ song chƣa lƣờng trƣớc đƣợc sự ô nhiễm
asen, các kim loại nặng và các hợp chất độc hại chủ yếu do nguồn gốc tự nhiên. Do
tác động của nhân sinh nƣớc tự nhiên bị nhiểm bẩn bởi các chất khác nhau làm ảnh
hƣởng xấu đến chất lƣợng của nƣớc do các hoạt động kinh tế của con ngƣời là:
- Giảm độ pH của nƣớc ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HNO3 từ khí quyển, làm
tăng lƣợng SO42- và NO3- trong nƣớc.
- Tăng hàm lƣợng của các ion Ca, Mg, Si trong nƣớc ngầm và nƣớc sơng do
mƣa hịa tan, phong hóa cacbonat.
- Tăng hàm lƣợng của các ion kim loại nặng trong nƣớc tự nhiên nhƣ: Pb, Cd,
Hg, As, Mn, Fe và Zn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4

- Tăng hàm lƣợng các muối trong nƣớc bề mặt và nƣớc ngầm do chúng đi từ
khí quyển và từ các chất thải rắn cùng nƣớc thải vào môi trƣờng nƣớc.
- 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, chất tẩy rửa…).
- Giảm nồng độ oxi hòa tan trong nƣớc tự nhiên do các q trình oxi hóa có

liên quan đến q trình sống của các vi sinh vật, các nguồn chứa nƣớc và khống
hóa các hợp chất hữu cơ.
Nhu cầu về nƣớc sạch ngày càng tăng về số lƣợng và chất 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 thƣờng chứa các chất có hại
cho sức khỏe con ngƣời nhƣ: kim loại, hợp chất của S, hợp chất của N, halogen và
một số hợp chất khác. Theo thống kê chƣa đầy đủ, cả nƣớc hiện nay có hơn 1 triệu
giếng khoan, trong đó có nhiều giếng có nồng độ asen cao hơn từ 20-50 lần nồng độ
cho phép.
* Ô nhiễm Asen
Các dạng Asen trong nƣớc ngầm phụ thuộc nhiều trạng thái và tính chất của
nƣớc. Dạng asen tồn tại chủ yếu trong nƣớc là H2AsO4- ( pH đều gần trung tính),
HAsO42-( mơi trƣờng kiềm), H3AsO3 ( mơi trƣờng oxi hóa – khử yếu). Hợp chất
của asen hữu cơ có độ hòa tan kém hơn, đặc biệt phức của asen – axit fulvic trong
mơi trƣờng có pH trung tính và nghèo canxi tại những vùng trầm tích núi lửa, một
số khu vực quặng phong hóa , mỏ dầu khí, mỏ than thƣơng giầu asen.
Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Mơi trƣờng trên cả nƣớc có nhiều vùng
nhiễm asen đặc biệt là các tỉnh ở đồng bằng Bắc bộ nhƣ Hà Nội, Hà Nam, Hƣng
Yên, Vĩnh Phúc đều bị nhiễm asen với mức độ cao.
Theo thống kê của UNICEF (Quỹ nhi đồng Liên Hợp quốc), tại Việt Nam có
khoảng 10 triệu ngƣời có nguy cơ bị bệnh do tiếp xúc với asen. Qua những số liệu
thu thập đƣợc cho thấy sự ô nhiễm asen ở miền Bắc cao hơn miền Nam. Đáng chú ý
là cả vùng đồng bằng Bắc Bộ đều nằm trong tình trạng đáng lo ngại về mức độ ơ
nhiễm asen.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5

*Ơ nhiễm Amoni
Do thực trạng hệ thống cấp – thốt - nƣớc , xử lí nƣớc cấp và nƣớc thải, chất
thải rắn chƣa đồng bộ, cộng thêm đó là sự phát triển của các nghành công – nông
nghiệp ngày một tăng trong thời gian gần đây, chƣa kể đến các quá trình diễn ra
trong tự nhiên, ở điều kiện địa chất - thủy văn phức tạp ở vùng châu thổ sông Hồng,
đã gây cho nguồn cấp nƣớc duy nhất hiện nay - nguồn nƣớc ngầm, nguy cơ ô nhiễm
ngày một cao, trong đó có ơ nhiễm các hợp chất nitơ. Ở đơ thị, hệ thống sơng, kênh
rạch có nơi bị ô nhiễm bởi rác thải, nƣớc thải sinh hoạt từ các khu dân cƣ xả ra mà
chƣa qua xử lí. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ tạo ra amoni ( NH 4+). Ngoài ra,
việc sử dụng rộng rãi các loại phân bón cũng làm cho lƣợng nitrat trong nƣớc tự
nhiên tăng cao. Khi khai thác lên, vi sinh vật trong nƣớc nhờ oxi trong khơng khí
chuyển amoni thành nitrat (NO2-, nitrit (NO3-) tích tụ trong nƣớc ăn.
* Ơ nhiễm sắt và mangan
Sự có mặt của sắt là một kết quả trực tiếp của sự tồn tại của nó trong sự hình
thành đá ngầm (kể từ khi hình thành đá ngầm của trái đất thành phần cấu tạo đã có
chứa khoảng 5% sắt, nó thƣờng đƣợc tìm thấy trong hầu hết các mẫu đá trên toàn
cầu) và nƣớc mƣa xâm nhập, khi nƣớc di chuyển qua những tảng đá sắt hồ tan và
tích lũy trong các tầng nƣớc ngầm. Sắt trong nƣớc thƣờng đƣợc tìm thấy trong ba
hình thức chủ yếu: ion Fe2+ dƣới dạng sắt hồ tan khơng mầu đƣợc tìm thấy trong
nƣớc mà khơng phải tiếp xúc với oxi, chẳng hạn nhƣ trong các giếng; vi sinh hồ
tan sắt góp phần rất lớn vào sự phát triển của vi khuẩn sắt. Những vi khuẩn này hình
thành lớp chất nhờn mầu tối trên các bức tƣờng bên trong của đƣờng ống hệ thống ;
nƣớc mặt thƣờng chứa sắt(III), tồn tại ở dạng keo hữu cơ hoặc cặn huyền phù.
Trong nƣớc ngầm, sắt thƣờng tồn tại dƣới dạng ion Fe2+, kết hợp với các gốc
bicacbonat, sunfat, clorua; đôi khi tồn tại dƣới keo của axit humic hoặc keo silic.
Khi tiếp xúc với oxi hoặc các tác nhân oxi hoá, ion Fe2+ bị oxi hoá thành ion Fe3+ và
kết hợp tủa thành các bông cặn Fe(OH)3 mầu nâu đỏ.
Sự xuất hiện của mangan cũng là do lịch sử hình thành nƣớc ngầm đã hồ tan
một số khống vật, đá có chứa mangan, hiếm khi tìm thấy trong nguồn cung cấp

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




6

nƣớc, thƣờng đuợc tìm thấy trong vùng nƣớc chứa sắt nhƣng hiếm hơn so với sắt.
Về hố học nó có thể đƣợc coi là một họ gần sắt, mangan thƣờng tồn tại ở dạng ion
Mn2+ là muối bicacbonat trong dung dịch không mầu ở vùng nƣớc sâu khi tiếp xúc
với khơng khí sớm chuyển đổi thành chất mangan đioxit khơng tan, mầu đen.
1.1.4. Tác hại của amoni, asen, mangan, sắt đối với con người.
1.1.4.1. Amoni
Amoni là hợp chất có hại cho sức khỏe con ngƣời nhƣ là nguyên nhân gây ra
bệnh ung thƣ … Amoni thực ra không quá độc đối với cơ thể con ngƣời khi ở nồng
độ thấp (tiêu chuẩn 1,5mg/l). Nhƣng trong quá trình khai thác, xử lí và lƣu trữ nƣớc,
amoni chuyển thành nitrit và nitrat. Nitrit là chất độc rất có hại cho sức khỏe con
ngƣời, Khi con ngƣời uống phải nƣớc chứa amoni sẽ chuyển hóa thành nitrosamine
một chất có tiềm năng gây ung thƣ. Các nghiên cứu cho thấy 1g amoni khi chuyển
hóa sẽ tạo thành 2,7g nitrit và 3,65g nitrat, trong khi hàm lƣợng cho phép của nitrit
là 0,1mg/l và nitrat là 10-15 mg/l, trẻ em uống nƣớc chứa nhiều nitrat có thể bị mắc
hội chứng methemoglobin.
1.1.4.2. Asen
Asen là một nguyên tố phân tán trên trái đất, hầu nhƣ có thể phát hiện đƣợc
sự xuất hiện của nó trong tất cả các mẫu đất đá, khoáng vật, các mẫu động thực vật.
Asen đơn chất là một chất rắn mầu trắng, rất độc nằm ở vị trí số 33 trong bảng tuần
hồn các nguyên tố hóa học, khối lƣợng phân tử là 74,92, khơng hịa tan trong nƣớc,
tồn tại trong tự nhiên thƣờng ở dạng As(III) và As(V) trong đó trạng thái As(III)
thƣờng độc hơn trạng thái As(V).
Các dạng As trong nƣớc ngầm phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái và tính chất

của nƣớc, dạng As tồn tại chủ yếu trong nƣớc ngầm là H2AsO4- ( mơi trƣờng pH
đến gần trung tính), HAsO42- (mơi trƣờng kiềm). Hợp chất H3AsO3 đƣợc hình thành
chủ yếu trong mơi trƣờng oxi hóa – khử yếu. Các hợp chất As hữu cơ có độ hịa tan
kém hơn, đặc biệt là phức As-acid fulvic trong mơi trƣờng có pH trung tính và
nghèo Canxi. Từ lâu con ngƣời đã biết đến ô nhiễm asen qua đƣờng hô hấp và qua
đƣờng tiêu hóa. Về mặt sinh học, Asen ảnh hƣởng đến thực vật nhƣ một chất ngăn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




7

cản quá trình trao đổi chất, làm giảm năng suất cây trồng, đặc biệt trong môi trƣờng
thiếu photpho. Đối với con ngƣời As tích tụ trong gan, thận, hồng cầu, hemoglobin
và đặc biệt tụ tập trong não, xƣơng, da, phổi và tóc.
Vấn đề ơ nhiễm asen xuất hiện nhƣ một thảm họa môi trƣờng đối với sức
khỏe con ngƣời, các biểu hiện đầu tiên của bệnh nhiễm độc asen là chứng sạm da,
dầy biểu bì, sừng hóa từ đó dẫn đến hoại thƣ hay ung thƣ da.
Ngày nay, khoa học đã chứng minh đƣợc asen là nguyên nhân của rất nhiều
căn bệnh nguy hiểm khác nhƣ ung thƣ thận, phổi, bàng quang, ruột kết, mũi . Điểm
đặc biệt nguy hiểm là cả hai dạng As(III) và As(V) đều là các chất dễ hịa tan trong
nƣớc và khơng mầu, khơng vị do đó khơng thể phát hiện bằng trực giác, chính vì
thế mà các nhà khoa học gọi chúng là “ sát thủ vơ hình “, đáng tiếc mặc dù đã tốn
rất nhiều đầu tƣ trong y học nhằm tìm kiếm thuốc và phác đồ điều trị các bệnh liên
quan đến nhiễm độc asen nhƣng cho đến nay cộng đồng y học thế giới vẫn chƣa tìm
ra một giải pháp hữu hiệu nào. Asen thƣờng có mặt trong thuốc trừ sâu, các loại
thuốc diệt nấm, diệt cỏ.
As(III) thể hiện độc tính vì nó tấn cơng vào các nhóm hoạt động –SH của enzim,
làm cản trở hoạt động của enzim:

SH
[Enzym]

S

+ AsO32-

As-O- + 2OH-

[Enzym]

SH

S

AsO43- có tính chất tƣơng tự PO43- sẽ thay thế ion PO43- gây ức chế enzim, ngăn cản
tạo ra ATP là chất sản sinh ra năng lƣợng:
CH2-SH

CH2-S

CH2

CH2

CH2-SH + AsO33-

CH2-S

(CH2)5

(CH2)5

C=O

C=O

Protein
(dihidrolipoic-Protein)

AsO- + 2OH-

Protein
(phức bị thụ động hóa)

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




8

CH2-OPO32CH –OH

CH2-OPO32-

+ PO43-

CH –OH

C=O

Enzym ATP
(Adenozin triphotphat).

C=O
OPO32-

H

Glyxeraldehit, 3-photphat. 1, 3-diphotphat, glyxerat.
Nếu có mặt của AsO43- thì q trình phụ xẩy ra, tạo thành 1- arseno, 3photphat, glyxerat nên 1,3-diphotphat glyxerat không xẩy ra do đó khơng hình
thành và phát triển ATP.
CH2-OPO32CH –OH

CH2-OPO32+ AsO43-

C=O

CH –OH
C=O

(ngăn cản việc tạo ra ATP)

OAsO32-

H
Glyxeraldehit, 3-photphat

3-photphat,

Glyxerat,
arsenat

asenat

1-arseno, 3-diphotphat, glyxerat

Asen (III) ở nồng độ cao làm đông tụ các protein có lẽ do Asen(III) tấn cơng
vào các liên kết có nhóm sunfua.
Tóm lại, tác dụng hóa sinh chính của Asen là làm động tụ protein, tạo phức
với enzim và phá hủy q trình photphat hóa tạo ra ATP.
1.1.4.3. Sắt
Sắt là một trong những chất dinh dƣỡng trong cơ thể, sắt có trong tế bào là
chất cần thiết để duy trì hoạt động của hệ miễn dịch, duy trì các cơ bắp và điều
khiển sự phát triển của tế bào, vì vậy hấp phụ đủ lƣợng sắt trong bữa ăn hằng ngày
là rất quan trọng. Thiếu sắt gây mệt mỏi, rụng tóc, kém tập trung, đau đầu…Cơ thể
chúng ta có thể hấp thụ hai loại sắt: sắt có trong thịt động vật nhƣ thịt bị, thịt gà,
cá…và sắt có nguồn gốc thực vật nhƣ giá đỗ và các gia vị, trong quá trình sử dụng
nguồn nƣớc bị nhiễm sắt gây mùi tanh, suy giảm chức năng gan, ngộ độc enzim và
gây rối loạn tiêu hóa.
1.1.4.4. Mangan
Mangan là chất rất cần cho mọi sinh vật để tồn tại và phát triển. trong cơ thể
ngƣời mangan duy trì sự hoạt động của một số men quan trọng và tăng cƣờng quá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




9

trình tạo xƣơng. Hằng ngày mỗi ngƣời trƣởng thành cần 2- 5mg mangan. Mangan
có nhiều trong ngũ cốc cịn ngun vỏ cám ( gạo, bột mì), trong các loại rau quả
mangan cũng có một lƣợng đáng kể. Do nguồn cung cấp mangan khá phong phú và
nhu cầu không cao nên hầu nhƣ không ai thiếu mangan. Tuy nhiên, trong quá trình
sinh hoạt sử dụng nguồn nƣớc nhiễm mangan cao có thể gây ngộ độc mangan, gây
rối loạn hoạt động thần kinh, những ngƣời dễ nhiễm độc mangan thƣờng là trẻ em,
ngƣời già, và phụ nữ có thai và những ngƣời mắc bệnh về gan, mật.
1.2. Các giải pháp xử lí asen, sắt, mangan và amoni.
Loại bỏ amoni, sắt, mangan đặc biệt là asen để nƣớc đạt tiêu chuẩn an toàn
sức khỏe là cần thiết. Trên thế giới có 4 loại hình cơng nghệ đƣợc áp dụng là: Trao
đổi ion, oxi hóa, hấp phụ và phƣơng pháp vi sinh, trong đó phƣơng pháp oxi hóa là
phƣơng pháp thơng dụng hơn cả, để tăng hiệu quả của q trình xử lí có thể kết hợp
các phƣơng pháp nói trên.
1.2.1. Phương pháp trao đối ion [2,34]
Cơ sở của phƣơng 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. Các chất này gọi là
các chất ionit (chất trao đổi ion), chúng hồn tồn khơng tan trong nƣớc. Các chất
có khả năng trao đổi ion dƣơng từ dung dịch điện ly gọi là các cationit, những chất
này mang tính axit. Các chất có khả năng trao đổi ion âm goi là các anionit và
chúng mang tính kiềm. Các ion có khả năng trao đổi cả anion và cation thì đƣợc gọi
là ionit lƣỡng tính, chất trao đổi ion có thể là chất vơ cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc
tự nhiên hay đƣợc tổng hợp:
- Các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên: zeolit, đất sét, fespat…
- Các chất trao đổi ion có nguồn gốc vơ cơ tổng hợp: silicagen, các oxit và
hiđroxit 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 polime hữu cơ đƣợc gắn các nhóm có
khả năng trao đổi ion nhƣ : RSO3H, RCOOH, ROH, RPO3H…Phƣơng pháp này có
Ƣu điểm :
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10

+ 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 đƣợc nhiều lần.
Trong thực tế nhựa trao đổi ion cần đến 60% thể tích bình chứa và 40% cịn
lại là thể tích dung dịch đi vào. Do vậy phƣơng pháp này phù hợp cho quy trình sản
xuất nhỏ, cịn với quy mơ sản xuất lớn bị hạn chế và q trình xử lí cao.
1.2.2. Phương pháp đồng kết tủa [18,30,39,40]
Kỹ thuật đồng kết tủa của kim loại dƣới dạng hiđroxit hoặc các hợp chất của
chúng đƣợc sử dụng phổ biến nhất để thu hồi kim loại từ dung dịch.
Các tác nhân đồng kết tủa thông dụng là xút và vôi. Tuy nhiên, kết tủa
hidroxit khó phân tán nên khó thu hồi bằng cách lọc hay xa lắng. Để tách lọc thuận
lợi ngƣời ta thêm vào các tác nhân keo tụ, tuyển nổi dƣới dạng polime điện li.
Nhƣợc điểm của kĩ thuật này là q trình kết tủa hidroxit chỉ là khâu xử lí sơ bộ vì
khơng xử lí triệt để, lƣợng bùn thải sinh ra lớn và khó quay vịng, giai đoạn làm khô
lâu và khá đắt.
So với kĩ thuật đông kết tủa hidroxit, kết tủa dƣới dạng muối cacbonat thu
đƣợc kết tủa đồng nhất hơn khi tiến hành ở pH = 8-9, do đó dễ thu hồi kết tủa bằng
cách lọc hay gạn. Phƣơng pháp này đƣợc hạn chế bởi một số muối cacbonat kim
loại có tích số tan lớn nên hiệu quả tách loại thấp, vì vậy kỹ thuật kết tủa cacbonat ít
thơng dụng hơn kĩ thuật dạng hidroxit. Hiện tƣợng bão hòa và tạo phức cũng làm
giảm hiệu quả xử lí. Để khắc phục ngƣời ta làm tăng số mầm kết tủa bằng cách đƣa
cát mịn hoặc CaCO3 dạng huyền phù vào trong dịng thải cần xử lí, nhờ vậy kết tủa
thu đƣợc dễ dàng hơn.
Kỹ thuật đồng kết tủa dƣới dạng sunfua cũng thƣờng đƣợc sử dụng bởi kết

tủa sunfua kim loại có độ tan nhỏ. Kỹ thuật này có thể đƣợc sử dụng khi dịng thải
chứa phức chất, thậm chí ngay khi dịng thải chứa các axit có tính oxi hóa. Muối
sunfua kim loại kiềm thổ có độ tan khá lớn nên kỹ thuật kết tủa sunfua cho phép thu
hồi chọn lọc các kim loại nặng. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là khó thu hồi
tồn bộ kết tủa sunfua vì đơi khi chúng tồn tại ở dạng huyền phù keo, giá thành của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




11

tác nhân kết tủa ( NaS, H2S) cao.
Ngoài các kỹ thuật trên, ngƣời ta sử dụng một số cách khác nhằm làm giảm
nồng độ cịn lại của kim loại. đó là các kỹ thuật đồng kết tủa với tác nhân trợ kết tủa
hay tạo phức vòng càng, kết tủa dƣới dạng sunfua hữu cơ, những kĩ thuật này
thƣờng dẫn đến việc sử dụng nhiều hóa chất, giá thành cao và cần có bƣớc xử lí thứ cấp.
1.2.3. Phương pháp oxi hóa [18,30,39,40]
Trong phƣơng pháp oxi hóa thƣờng sử dụng các chất oxi hóa mạnh nhƣ: Cl2,
KMnO4, và H2O2 hiện đƣợc sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Nhƣợc điểm của phƣơng
pháp này là cần bổ xung thêm các tác nhân oxi hóa.
1.Phƣơng pháp oxi hóa bằng oxi khơng khí:
Bản chất của phƣơng pháp là sự oxi hóa ion Me2+ ( Men+ là các ion kim loại
cần loại bỏ) thành Me3+ và tách chúng ra khỏi nƣớc dƣới dạng Me(OH)3. Khi có
mặt oxi khơng khí các muối Me2+ có trong nƣớc ngầm sẽ bị oxi hóa thành Me(OH)3
nhanh chóng hơn nếu chúng tiếp xúc với MnO2, Me(OH)3 có trên vật liệu lọc. Nƣớc
ngầm thƣờng khơng chứa oxi hịa tan hoặc có nhƣng với nồng độ rất thấp. Để tăng
hàm lƣợng oxi trong nƣớc ngầm thì biện pháp đơn giản nhất là làm thống.
2.Phƣơng pháp oxi hóa bằng clo
Q trình oxi hóa khử:

Cl2 + 2e ═ 2Cl-

Eo = 1,36 v

Khi cho clo vào trong nƣớc, clo sẽ oxi hóa Me2+ thành Me3+
2Me2+ + Cl2 + 6 H2O = 2Me(OH)3 + 6H+.
3. Oxi hóa Me2+ bằng KMnO4:
Me2+ + KMnO4 + 7H2O = 3Me(OH)3 +MnO2 + K+ + 5H+.
Trên thực tế, lƣợng KMnO4 tiêu tốn để oxi hóa Me2+ nhìn chung ít hơn so với
lƣợng tính tốn theo hệ số tỉ lƣợng. Ngƣời ta giải thích hiện tƣợng này là do sự tạo
thành MnO2 nhƣ chất xúc tác của phản ứng. Phản ứng xảy ra ở pH = 6 – 9, tốc độ
phản ứng nhanh hơn so với việc oxi hóa bởi clo.
4. Oxi hóa Me2+ bằng dioxit clo (ClO2):
Me2+ + ClO2 + 3H2O = Me(OH)3 + ClO2 + 3H+.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




12

Phƣơng pháp oxi hóa Me bằng ClO2 xẩy ra rất nhanh, nhất là khi pH > 7.
5.Oxi hóa Me bằng ozon:
Ozon là chất oxi hóa mạnh mà ngƣời ta có thể sử dụng để oxi hóa Me

2+

,

Nhƣng cũng cần phải tính đến hiệu ứng phụ. Kết quả đƣợc hình thành trong q

trình oxi hóa có thể kết hợp với bọt khí ozon và nổi lên mặt nƣớc gây khó khăn cho
việc lắng lọc.
1.2.4. Phương pháp hấp phụ
1.2.4.1. Khái niệm chung
Hấp phụ là phƣơng pháp tách chất, trong đó có 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 xẩy ra sự hấp phụ.
Chất bị hấp phụ: Chất đƣợc tích lũy trên bề mặt 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.
1.2.4.2. Hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học
Hấp phụ vật lí gây nên bởi lực vandervalls, liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ.
Hấp phụ hóa học đƣợc tạo thành từ lực liên kết hóa học giữa bề mặt chất hấp
phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này tƣơng đối bền và khó bị phá vỡ.
Thơng thƣờng, trong quá trình hấp phụ sẽ xẩy ra đồng thời cả hai q trình
trên. trong đó, hấp phụ hóa học đƣợc coi là trung gian giữa hấp phụ vật lí và phản
ứng hóa học, để phân biệt hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lí , ngƣời ta đƣa ra một
số chỉ tiêu so sánh sau:
- Hấp phụ vật lí có thể là đơn lớp hoặc đa lớp, hấp phụ hóa học là đơn lớp
- Tốc độ hấp phụ: Hấp phụ vật lí khơng địi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xẩy
ra nhanh, hấp phụ hóa học nói chung địi hỏi sự hoạt hóa do đó xảy ra chậm hơn.
- Nhiệt độ hấp phụ : Hấp phụ vật lí thƣờng xảy ra ở nhiệt độ thấp, hấp phụ hóa
học xảy ra ở nhiệt độ cao hơn
- Nhiệt hấp phụ: Lƣợng nhiệt tỏa ra ở hấp phụ vật lí nằm trong khoảng 2 - 8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13

Kcal/mol, cịn hấp phụ hóa học lớn hơn 22Kcal/mol
- Tính đặc thù : Hấp phụ vật lí ít phụ thuộc vào bản chất hóa học do đó ít mang
tính đặc thù rõ rệt. hấp phụ hóa học mang tính đặc thù cao, nó phụ thuộc khả năng
tạo thành liên kết hóa học giữa các chất hấp phụ và các chất bị hấp phụ.
1.2.4.3. Cân bằng hấp phụ và tải trọng hấp phụ
Cân bằng hấp phụ: Q trình chất khí hoặc chất lỏng hấp phụ trên bề mặt
chất hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp
phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngƣợc lại pha mang. Theo thời
gian, lƣợng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di
chuyển ngƣợc lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ
bằng tốc độ di chuyển ngƣợc lại pha mang ( giải hấp) thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Tải trọng hấp phụ cân bằng: Biểu thị khối lƣợng chất bị hấp phụ trên một
đơn vị khối lƣợng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng dƣới các điều kiện nồng độ
và nhiệt độ cho trƣớc .
Tải trọng hấp phụ là tải trọng nằm ở trạng thái cân bằng của hỗn hợp khí, hơi
bão hịa.
q=

(Ci  C f ).V
m

(1.1)

V: thể tích dung dịch (l)
Ci : Nồng độ dung dịch băn đầu (mg/l)

C f : Nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)

m: Khối lƣợng chất hấp phụ.
Cũng có thể biểu diễn đại lƣợng hấp phụ theo khối lƣợng chất hấp phụ trên
một đơn vị diện tích bề mặt chất hấp phụ .
q=

(Ci  C f ).V
m.s

(1.2)

s: diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ

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




14

1.2.4.4. Phương trình động học hấp phụ
Hấp phụ sẽ thay đổi theo thời gian do sự tích tụ trên bề mặt chất rắn gồm hai
q trình khuếch tán, trong đó quá trình các phân tử các chất bị hấp phụ từ pha
mang đến bề mặt chất rắn ( khuếch tán ngoài). Nhƣ vậy, lƣợng chất bị hấp phụ trên
bề mặt chất rắn sẽ phụ thuộc vào hai quá trình khuếch tán. Tải trọng hấp phụ tới khi
quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Gọi tốc độ hấp phụ biến thiên theo thời gian, ta có:
q=

dx
dt

(1.3)

Khi tốc độ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian thì:
r=

dx
=  .(Ci  C f )  K .(Qmax  q)
dt

(1.4)

δ: Hệ số chuyển khối
Ci : Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm băn đầu

C f : Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t

k: Hằng số tốc độ hấp phụ
q: Tải trọng hấp phụ tại thời điểm t
Qmax : Tải trọng hấp phụ cực đại

q
C1

C2
O

t

Hình 1.1. Đƣờng cong động học biểu thị sự phụ thuộc của tải trọng hấp phụ vào

thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ ( C1 > C2)
Khi xem xét các cơng trình xử lí nƣớc, ngƣời ta chú ý đến nhiều phƣơng
pháp hóa lí. Phƣơng pháp hấp phụ là một phƣơng pháp hóa lí thơng dụng , đƣợc biết
từ xa xƣa, nhƣ việc lọc bằng than, cát, đá, sỏi…mà trƣớc đây con ngƣời đã xây
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




15

dựng thành nền kĩ thuật lọc nƣớc sạch phục vụ đời sống.
Nƣớc bị ô nhiễm thƣờng chứa nhiều loại chất tan khác nhau, khó tách lọc
bằng những phƣơng pháp thơng thƣờng, nhƣng dùng phƣơng pháp hóa lí hấp phụ
thì có thể đạt đƣợc hiệu quả xử lí cao hơn, trong nhiều giai đoạn của các qui trình
cơng nghệ xử lí nƣớc, ta có thể thấy khơng thể thiếu đƣợc vai trò của chất hấp phụ.
Ngƣời ta thƣờng sử dụng các loại chất hấp phụ nhƣ: than hoạt tính, than củi, … để
xử lí ;Cịn đối với các chất tan phân cực nhƣ các ion kim loại, cation kim loại kiềm
thổ, anion gốc axit thì dùng các chất hấp phụ có khả năng hấp phụ hóa học các chất
phân cực nhƣ các chất hấp phụ vô cơ, chất hấp phụ vật liệu tổng hợp nhƣ
polyurethane, sợi polistiren,…v.v.
Trong những năm gần đây, một số công bố về công nghệ chế tạo vật liệu hấp
phụ và ứng dụng các vật liệu này để tách Asen trong nƣớc. đó là hấp phụ asen bằng
một số vật liệu tự nhiên đƣợc biến tính bằng phƣơng pháp oxi hóa kết tủa, bằng vật
liệu oxit hỗn hợp, bằng vật liệu Fe3O4. Điều này cho thấy tính ƣu việt của phƣơng
pháp hấp phụ và vai trò của các chất hấp phụ là rất quan trọng, cần thiết trong các
q trình làm sạch nƣớc, xử lí nƣớc từ đó tìm kiếm và nghiên cứu chế tạo các chất
hấp phụ thích hợp dùng trong phƣơng pháp xử lí[36,37,38,39]
1.2.5. Một số cơng nghệ xử lí nước nhiễm asen, amoni, sắt, mangan.
Bảng 1.1. Một số cơng nghệ xử lí nƣớc nhiễm asen, sắt, mangan, amoni [3,15]

STT

Công nghệ

Đánh giá

Ghi chú

Đã đƣợc nghiên cứu và thử nghiệm, cần
có hệ thống để oxi hóa As(III) lên Triển khai tại các nhà
1

Keo tụ với

As(V), đƣợc sử dụng ở qui mô nhà máy, máy nƣớc, các xƣởng

muối nhơm cần có hệ thống quản lí, giám sát q sản xuất, giá thành
trình hoạt động.

2

Keo tụ
muối sắt

tƣơng đối rẻ.

Đã đƣợc nghiên cứu và thử nghiệm, cần Triển khai tại các nhà
có hệ thống để oxi hóa As(III) lên máy nƣớc, các xƣởng
As(V), đƣợc sử dụng ở qui mô nhà máy, sản xuất, giá thành

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




16

cần có hệ thống quản lí, giám sát q tƣơng đối rẻ.
trình hoạt động, hiệu quả xử lý khơng
cao, khơng triệt để
Đã đƣợc nghiên cứu và thử nghiệm,

3

Kết tủa với
sữa vơi

đƣợc sử dụng ở qui mơ nhà máy, cần có
hệ thống quản lí, giám sát q trình hoạt
động, khó điều chỉnh pH, hiệu quả xử lí
khơng cao và khơng triệt để
Đã nghiên cứu chế tạo và trở thành

4

Trao đổi
ion

thƣơng phẩm, dễ sử dụng và hiệu quả
xử lí cao. Tuy nhiên cơng nghệ địi hỏi

nguồn nƣớc đầu vào tƣơng đối sạch và
giá thành rất cao.

Triển khai tại các nhà
máy nƣớc, các xƣởng
sản xuất, giá thành
tƣơng đối rẻ.

Triển khai tại các nhà
máy nƣớc, các xƣởng,
hộ gia đình, giá thành
cao

Đã đƣợc thử nghiệm ở quy mơ lớn,

5

Nhơm hoạt
tính

thích hợp ở qui mơ nhà máy. Tuy nhiên Triển khai tại các nhà
hiệu quả xử lí khơng cao và khơng triệt máy nƣớc, các xƣởng,
để , địi hỏi nguồn nƣớc phải xử lí trƣớc giá thành cao
và đặc biệt hiệu quả xử lí As(III) thấp.

6

Phƣơng
pháp màng

Hiệu quả xử lí tốt, đã trở thành thƣơng
phẩm. Tuy nhiên nƣớc đầu vào đòi hỏi
phải khá sạch

Triển khai tại các nhà
các xƣởng, bệnh viện,
hộ gia đình, giá thành
rất cao
Triển khai tại các nhà

Oxi hóa

Mn- Fe trên Đã và đang đƣợc nghiên cứu và áp dụng máy nƣớc, các xƣởng
7

nền quặng

trong và ngồi nƣớc , hiệu quả xử lí khá sản xuất, vật liệu khá

hoặc quặng cao, thời gian hoạt động dài. Xử lí chƣa phổ biến, có nhiều loại
hoạt hóa

triệt để, hoạt tính chƣa cao.

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

với giá thành khác
nhau từ trung bình đến