Trình bày kết quả điều chế sắt nano và nano lưỡng kim; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá ]trình xử lý nước ô nhiễm CrVI và Pb bằng săt nano lưỡng kim; hiện trạng ô nhiễm tại khu công
Trang 1Nghiên cứu ứng dụng sắt nano trong xử lý
nước ô nhiễm crom và chì
Abstract: Nghiên cứu quá trình chế tạo sắt nano và nano lưỡng kim Nghiên cứu một
số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải ô nhiễm crôm và chì bằng sắt nano
và nano lưỡng kim Ứng dụng sắt nano và nano lưỡng kim vào xử lý nước thải Khu công nghiệp Phố Nối A Trình bày kết quả điều chế sắt nano và nano lưỡng kim; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá ]trình xử lý nước ô nhiễm Cr(VI) và Pb bằng săt nano lưỡng kim; hiện trạng ô nhiễm tại khu công nghiệp Phố Nối A của tỉnh Hưng Yên; đánh giá hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Cr và Pb của vật liệu sắt nano và nano lưỡng
xử lý chất thải ở các khu công nghiệp Nguyên nhân chủ yếu là do lượng khu công nghiệp lớn
và thường xuyên xả chất thải không qua xử lý hoặc xử lý chưa triệt để ra môi trường Lượng chất thải này bao gồm nhiều thành phần như vô cơ, hữu cơvà đặc biệt là kim loại nặng Một phần kim loại nặng này nằm trong nước thải, chúng xâm nhập và gây ô nhiễm môi trường nước Phần còn lại tích lũy trong đất, đi vào chuỗi thức ăn và gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người và sinh vật sống
Việt Nam là một trong 5 nước sẽ chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của biến đổi khí hậu
và nước biển dâng Theo tính toán của các chuyên gia nghiên cứu biến đối khí hậu, đến năm
2100, nhiệt độ trung bình ở Việt Nam có thể tăng lên 30ºC và mực nước biển có thể dâng cao 1m Theo đó, khoảng 40 nghìn km2
đồng bằng ven biển Việt Nam sẽ bị ngập Nước biển dâng cao hơn sẽ làm cho nhiều vùng đồng bằng nước ngọt hiện nay trở thành vùng nước lợ, hàng triệu người sẽ có nguy cơ bị mất chỗ ở, từ đó làm gia tăng sức ép lên sự phát triển của các vùng lân cận, làm thay đổi chế độ thủy văn dòng chảy và gây áp lực đến 90% diện tích ngập nước Vì vậy, tiết kiệm nguồn nước ngọt đang là vấn đề cần thiết được đặt ra vào thời điểm này
Trang 2Được nghiên cứu lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1959 bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman, song chỉ bắt đầu thu được thành quả trong vòng 2 thập kỷ trở lại đây, công nghệ nano đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với khoa học nhân loại Với rất nhiều triển vọng ứng dụng, những hạt phân tử nano với kích thước bé nhỏ 1nm=10-9m đã mở đường cho một
xu hướng phát triển mới của tương lai
Công nghệ nano hứa hẹn sẽ mang lại cho y học một bước tiến vượt bậc Đó là sự ra đời của những rôbốt siêu nhỏ có thể đi sâu vào trong cơ thể, đến từng tế bào để hàn gắn, chữa bệnh cho các mô xương bị gãy và thậm chí là tiêu diệt những virut gây bệnh đang ở trong cơ thể Công nghệ nano cũng được ứng dụng trong điều trị ung thư và trong các xét nghiệm chuẩn đoán bệnh
Các nhà khoa học Mỹ đã đưa ra ý tưởng về việc ứng dụng công nghệ nano làm thay đổi vật liệu bằng cách tác động vào nồng độ nguyên tử của chúng Cách làm này giúp các nhà khoa học tạo ra các pin mặt trời với hiệu quả khai thác năng lượng lớn gấp 5 lần so với loại pin mặt trời truyền thống làm từ silicon hiện nay Ngoài ra công nghệ nano còn được ứng dụng trong làm sạch môi trường Một trong những ứng dụng của công nghệ nano đó là dùng
để chế tạo các thiết bị, chẳng hạn như các lưới lọc nước nano với cấu tạo đủ rộng để cho các phân tử nước đi qua, song cũng đủ hẹp để ngăn chặn các phân tử chất bẩn gây ô nhiễm Đặc biệt, công nghệ này cũng được đánh giá là sạch (ít gây ô nhiễm) và hiệu quả hơn trong các công nghệ hiện tại
Trên cơ sở đó, chúng tôi đã tiến hành xây dựng luận văn với đề tài: “Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ sắt nano để xử lý nước ô nhiễm crôm và chì”
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm các nội dung sau:
- Nghiên cứu quá trình chế tạo sắt nano và nano lưỡng kim
- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải ô nhiễm crôm và chì bằng sắt nano và nano lưỡng kim
- Ứng dụng sắt nano và nano lưỡng kim vào xử lý nước thải Khu công nghiệp Phố Nối A
Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm tại Phòng phân tích môi trường, Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học
Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Tổng quan về crom và chì
1.1.1 Nguồn gốc, tính chất hóa lý, các dạng tồn tại của crom và chì
1.1.1.1 Crom
1.1.1.2 Chì
1.1.2 Nguyên nhân gây ô nhiễm crom và chì ở trong nước
1.1.3 Ảnh hưởng độc hại của Cr và Pb đối với con người và sinh vật
1.1.3.1 Ảnh hưởng của Cr
Trang 31.3.2.2 Tính chất của vật liệu nano
1.3.2.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
1.3.2.4 Một số ứng dụng của vật liệu nano
1.3.3 Giới thiệu về vật liệu chứa sắt nano và nano lưỡng kim
1.3.3.1 Tính chất của hạt sắt nano
1.3.3.2 Tính chất của hạt nano lưỡng kim
1.4.1 Giới thiệu chung
1.4.2 Hiện trạng môi trường nước thải khu công nghiệp Phố Nối A
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Vật liệu sắt nano và nano lưỡng kim được điều chế trong phòng thí nghiệm, bộ môn Thổ nhưỡng và môi trường đất – Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội
- Mẫu nước ô nhiễm chứa Cr và Pb với các nồng độ khác nhau được pha chế trong phòng thí nghiệm
- Mẫu nước ô nhiễm trước và sau khi xử lý tại khu công nghiệp Phố Nối A
- Điều chế vật liệu sắt nano, nano lưỡng kim và phân tích các đặc điểm của vật liệu điều chế
được
Trang 4- Hiện trạng ô nhiễm nước tại khu công nghiệp Phố Nối A của tỉnh Hưng Yên: Đánh giá hiện trạng ô nhiễm bằng cách lấy mẫu nước trước khi xử lý của khu công nghiệp, tiến hàng phân tích và so sánh với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải QCVN
40:2011/BTNMT
- Đánh giá hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Cr và Pb của vật liệu sắt nano và nano lưỡng kim
2.3.1 Hóa chất và thiết bị
2.3.1.1 Hoá chất
2.3.1.2 Thiết bị sử dụng
2.3.2 Phương pháp xác định nước ô nhiễm Cr và Pb
2.3.3 Chuẩn bị vật liệu sắt nano, nano lưỡng kim
2.3.3.1 Điều chế sắt nano
2.3.3.2 Điều chế nano lưỡng kim (Fe - Cu)
2.3.4 Phân tích các đặc tính của vật liệu
2.3.5 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Cr và
Pb bằng sắt nano, nano lưỡng kim (với mẫu nước tự tạo trong phòng thí nghiệm)
2.3.5.1 Đối với Cr(VI)
Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Cr(VI)
bằng sắt nano và nano lưỡng kim
Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý nước ô nhiễm
Cr(VI) bằng sắt nano và nano lưỡng kim
Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến hiệu quả xử lý
nước ô nhiễm Cr(VI) bằng sắt nano và nano lưỡng kim
Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu đến hiệu quả xử lý nước ô
nhiễm Cr(VI) bằng sắt nano và nano lưỡng kim
2.3.5.2 Đối với Chì
Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Pb bằng
sắt nano và nano lưỡng kim
Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Pb
bằng sắt nano và nano lưỡng kim
Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến hiệu quả xử lý
nước ô nhiễm Pb bằng sắt nano và nano lưỡng kim
Trang 5Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu đến hiệu quả xử lý nước ô
nhiễm Pb bằng sắt nano và nano lưỡng kim
2.3.6 Đánh giá hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Cr và Pb của vật liệu sắt nano và nano
lưỡng kim
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1.1 Sắt nano
3.1.1.1 Phổ nhiễu xạ tia X của sắt nano
Hình 11: Phổ nhiễu xạ tia X của sắt nano
Ảnh nhiễu xạ tia X cho biết thành phần chính của mẫu sắt nano, pic đặc trưng của Fe0xuất hiện trong khoảng 2θ và 44,72°(tương ứng với vạch màu đỏ) với cường độ lớn Trong khoảng 2θ từ 20 - 70° không xuất hiện các pic phụ khác Trong hình cũng không thấy xuất hiện đỉnh FeO hay đỉnh Fe(OH)3 Điều đó cho thấy được mẫu sắt nano này ít bị oxy hóa
So sánh với kết quả chụp nhiễu xạ tia X mẫu sắt nano thu được từ nghiên cứu của Hoon Hwang, Do-Gun Kim, Hang-Sik Shin (2011)[57]
Yu-Mẫu chụp cho thấy phân tử sắt nano chứa cả Fe0
và FeO nhưng cũng không quan sát thấy Fe (III) và FeO hình thành do sự oxy hóa Fe0 Các tác giả đã phân tích tỷ lệ Fe0
và FeO của mẫu sau 3 tuần, trong đó Fe0
chiếm 44%, FeO chiếm 56% , lớp vỏ phân tử sắt nano chứa chủ yếu là FeO còn lớp lõi là Fe0 Trong môi trường nước thì lớp vỏ chứa chủ yếu là FeOOH
Trang 6
Hình 12 Ảnh nhiễu xạ tia X mẫu sắt nano được điều chế bởi Yuan-Pang Sun, Xiao-Qin Li, Jiasheng Cao, Wei-xian Zhang, H Paul Wang (2006) [56]
3.1.1.2 Ảnh chụp SEM của sắt nano
Khi không sử dụng chất phân tán thì kết quả thu được sau phản ứng tạo thành 2 lớp: 1 lớp ở trên và 1 lớp ở dưới tách biệt Lớp ở dưới nếu quan sắt bằng mắt thường thì sẽ thấy có màu đen, hạt này bám chặt vào que khuấy từ và có kích thước lớn hơn so với lớp ở trên Chúng tôi đã tiến hành chụp SEM mẫu ở dưới và thu được kết quả:
Hình 13.Ảnh SEM lớp ở dưới, không sử dụng chất phân tán
Theo kết quả trên ta thấy hạt có hình cầu hoặc hình dẹt và kích thước khoảng từ 200nm Tuy nhiên giữa các hạt không có sự phân biệt rõ ràng và kích thước phân bố không đều
50-Lớp ở trên nếu quan sắt bằng mắt thường thấy có màu xanh đen,so với lớp ở dưới thì kích thước hạt có vẻ mịn hơn Khi chúng tôi chụp SEM mẫu này thì thu được kết quả:
Trang 7Hình 14.Ảnh SEM lớp ở trên, không sử dụng chất phân tán
Qua những kết quả trên chúng tôi thấy rằng cần phải có thêm chất phân tán trong quá
trình điều chế để các hạt có sự tách biệt nhau, làm tăng kích thước bề mặt
3.1.1.3 Ảnh chụp TEM của sắt nano
Qua hình ta thấy: kích thước hạt trong khoảng từ 60-100nm, sau khi đã cho chất phân tán vào thì giữa các hạt đã có sự phân biệt rõ ràng và không có sự kết búi lại với nhau Kết quả này cho thấy vai trò to lớn của chất phân tán, nó giúp hạt có kích thước nhỏ hơn đồng thời tránh quá trình kết búi lại với nhau tạo nên những hạt riêng biệt làm cho diện tích bề mặt càng
lớn
Hình 16: Mẫu sắt nano điều chế
Trang 8Hình 15 Ảnh TEM phân tử sắt nano điều chế bởi một số nhà khoa học khác
Trong đó:
(a): Điều chế bởi Yang-Hsin Shih, Chung-Yu Hsu, Yuh-Fan Su [55]
(b): Điều chế bởi Yunfei Xi, Megharaj Mallavarapu, Ravendra Naidu [58]
3.1.2 Nano lưỡng kim
Pic đặc trưng của Fe0
xuất hiện trong khoảng 2θ và 44,72°(tương ứng với vạch màu xanh) với cường độ lớn và Cu0
ở 43,16°(tương ứng với vạch màu đỏ) với cường độ lớn Trong khoảng 2θ từ 20 - 70° không xuất hiện các pic phụ khác Trong hình cũng không thấy xuất hiện đỉnh FeO hay đỉnh Fe(OH)3 hay CuO hoặc Cu2O
3.1.2.1 Phổ nhiễu xạ tia X của nano lưỡng kim
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau Cu-Fe
03-065-4899 (C) - Iron - alpha-Fe - Y: 96.88 % - d x by: 1 - WL: 1.5406 - Cubic - a 2.86700 - b 2.86700 - c 2.86700 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - Im-3m (229) - 2 - 23.5659
00-004-0836 (*) - Copper, syn - Cu - Y: 99.54 % - d x by: 1 - WL: 1.5406 - Cubic - a 3.61500 - b 3.61500 - c 3.61500 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - Fm-3m (225) - 4 - 47.241
File: Quynh MT mau 1.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 1 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00
Trang 9Hình 18: Ảnh nhiễu xạ tia X của nano lưỡng kim Fe – Cu được chế tạo bởi
Chien-Li Lee & Chih-Ju G Jou
3.1.2.2 Ảnh chụp TEM của nano lưỡng kim Fe-Cu
Kích thước của hạt nano lưỡng kim thu được cũng gần tương đương với mẫu sắt nano
đã điều chế, kích thước hạt nano lưỡng kim trong khoảng từ 60- 80nm Khi so sánh kích thước hạt nano lưỡng kim Fe-Cu thu được với kết quả nghiên cứu về nano lưỡng kim (Fe-Ni) của Zhanqiang Fang, Xinhong Qiu (2010) là từ 20-50nm thì ta có thể thấy là hạt nano lưỡng kim (Fe-Cu) điều chế được là khá thô và to hơn
(a) Sắt nano trước khi cho dung dịch đồng và (b) nano lưỡng kim sau khi điều chế
Hình 19.Ảnh chụp TEM của phân tử nano lƣỡng kim đã điều chế
Trang 10Hình 20 Ảnh chụp TEM về nano lưỡng kim Fe-Ni của Zhanqiang Fang, Xinhong Qiu, Jinhong Chen, Xiuqi Qiu (2011)
(a): Ảnh chụp TEM của sắt nano; (b): Ảnh chụp TEM của nano lưỡng kim Fe-Ni
3.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý nước ô nhiễm Cr(VI) và
Pb bằng sắt nano và nano lưỡng kim
3.2.1 Đối với Cr(VI)
Hình 21: Cơ chế khử Cr(VI) của sắt nano
Theo Zhanqiang Fang (2011) [58], Fe0 nano xử lý Cr(VI) theo 3 bước:
- Bước 1: Cr(VI) tiếp xúc với môi trường phản ứng của Fe0 nano và phản ứng khử xảy ra ở
Trang 11Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O (2)
- Bước 3: Các sản phẩm Cr3+ và Fe3+ đều chuyển hoá thành (oxy) hydroxit Cr – Fe kết tủa
và cố định ở trên bề mặt, thể hiện qua phương trình:
(1-x)Fe3+ + xCr3+ + 3H2O (CrxFe1-x)(OH)3 ↓ + 3H+ (3)
(1-x)Fe2+ + xCr3+ + 3H2O CrxFe1-xOOH ↓ + 3H+
(4) Theo Kunwar P Singh và cộng sự (2011) [39], động học quá trình khử Cr(VI) phụ thuộc vào một số quá trình biến như: thời gian tiếp xúc; pH dung dịch; nồng độ Cr(VI); diện tích bề mặt hay liều lượng vật liệu khử
Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý Cr(VI) bằng
sắt nano và nano lưỡng kim
Bảng 8: Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý Cr(VI)
Nồng độ Cr(VI) ban đầu (mg/l)
Sắt nano
Nano lưỡng kim
Fe – Cu Nồng độ
Cr(VI) sau phản ứng (mg/l)
Hiệu suất (%)
Nồng độ Cr(VI) sau phản ứng (mg/l)
Hiệu suất (%)
Trang 12Biểu đồ 1: Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý Cr(VI)
Kết quả nghiên cứu cho thấy ở pHdd=2 sắt nano xử lý được 10,06% và tăng mạnh khi
pHdd=4 (hiệu suất đạt 53,81%) và pHdd=6(hiệu suất đạt 71,25%); nhưng đến pHdd=8 hiệu suất giảm xuống 60,76% Với nano lưỡng kim Fe – Cu, hiệu quả xử lý kém hơn hẳn so với sắt nano Ở pHdd=2 hiệu quả xử lý đạt 4,08%, và hiệu quả đạt cao nhất ở pH = 6 với hiệu suất 15,87%
Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý Cr(VI)
bằng sắt nano và nano lưỡng kim
Bảng 9: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý Cr(VI)
Nồng độ Cr(VI) ban đầu (mg/l)
Sắt nano
Nano lưỡng kim
Fe – Cu Nồng độ
Cr(VI) sau phản ứng (mg/l)
Hiệu suất (%)
Nồng độ Cr(VI) sau phản ứng (mg/l)
Hiệu suất (%)
Biểu đồ 2: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý Cr(VI)
Hiệu quả xử lý Cr(VI) của sắt nano qua các khoảng thời gian khác nhau không cao trong
10 phút, hiệu suất 71,25%; sau 4 giờ, hiệu suất là 82,23% (tăng 10,98%)
Với nano lưỡng kim cũng vậy, sự gia tăng là không lớn: thời gian phản ứng 10 phút, đạt hiệu quả 15,87%; sau 4 giờ phản ứng, hiệu suất đạt 20,36% (tăng 4,49%)
Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến hiệu quả xử lý
Cr(VI) bằng sắt nano và nano lưỡng kim
Trang 13Bảng 10: Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến hiệu quả xử lý Cr(VI)
Thời gian phản ứng (giờ)
Sắt nano Nano lưỡng kim Nồng độ
Cr(VI) sau phản ứng (mg/l)
Hiệu suất (%)
Nồng độ Cr(VI) sau phản ứng (mg/l)
Hiệu suất (%)
Biểu đồ 3: Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến hiệu quả xử lý Cr(VI)
- Nồng độ ban đầu của Cr(VI) càng nhỏ ở mức 10mg/l, hiệu quả xử lý của sắt nano càng cao và đạt 87,49% Tăng nồng độ lên 30mg/l, hiệu quả xử lý giảm còn 82,23% Khi nồng
độ đạt 70mg/l, hiệu quả còn 20,76%
- Hiệu quả xử lý của nano lưỡng kim vẫn tỏ ra kém hơn so với sắt nano và đạt cao nhất 32,08% khi nồng độ ban đầu của Cr(VI) là 10mg/l
Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nano đến hiệu quả xử lý Cr(VI)
bằng sắt nano và nano lưỡng kim
Bảng 11: Ảnh hưởng của hàm lượng nano đến hiệu quả xử lý Cr(VI)
Hàm
lượng pH dung
Nồng độ Cr(VI)
Thời gian phản ứng
Sắt nano Nano lưỡng kim Nồng độ
Cr(VI) Hiệu suất
Nồng độ Cr(VI) Hiệu suất
