ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TỐNG DUY NINH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG As TRONG NƢỚC NGẦM VÀ XỬ LÍ BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT SẮT DẠNG HẠT BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Thái Nguyên 20[.]
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
TỐNG DUY NINH
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG As TRONG
NƯỚC NGẦM VÀ XỬ LÍ BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT SẮT DẠNG HẠT BIẾN TÍNH
LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC
Thái Nguyên - 2013
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
TỐNG DUY NINH
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG As TRONG
NƯỚC NGẦM VÀ XỬ LÍ BẰNG VẬT LIỆU HYDROXIT SẮT DẠNG HẠT BIẾN TÍNH
Chuyên ngành: Hoá phân tích
Mã số: 60.44.0118
LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS Đào Văn Bảy
Thái Nguyên - 2013
Trang 3Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN
Hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, trước hết em xin chân thành cảm
ơn sự dạy dỗ nhiệt tình của các thầy cô giáo trong suốt thời gian em học tập
và nghiên cứu tại trường ĐHSP Thái Nguyên
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn TS Đào Văn Bảy đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và chu đáo trong quá trình thực hiện và hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này
Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng chắc chắn rằng, những hạn chế và thiếu sót trong Luận văn là không tránh khỏi Vì vậy, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để Luận văn được hoàn thiện hơn
Thái Nguyên, ngày 14 tháng 04 năm 2013
Tác giả
Tống Duy Ninh
Trang 4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
i
MỤC LỤC
Trang Trang bìa phụ
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục i
Danh mục các bảng ii
Danh mục các hình và đồ thị iii
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 TỔNG QUAN 3
1.1 Nguồn gốc ô nhiễm và các dạng tồn tại của ASEN trong nước 3
1.1.1 Trạng thái tự nhiên và nguồn gốc ô nhiễm As 3
1.1.2 Các dạng tồn tại của As trong nước 4
1.2 Độc tính của asen 4
1.2.1 Tác động sinh hóa 4
1.2.2 Nhiễm độc cấp tính 5
1.2.3 Nhiễm độc mãn tính 6
1.3 Tính chất hóa học của asen 10
1.3.1 Tính chất vật lý 10
1.3.2 Tính chất hóa học 10
1.3.3 Phản ứng phát hiện asen 12
1.4 Hiện trạng ô nhiễm asen ở Việt Nam 16
1.5 Phương pháp xác định hàm lượng ASEN 17
1.5.1 Phương pháp trắc quang 17
1.5.3 Các phương pháp xác định có sử dụng kĩ thuật hidrua hóa (HVG) 18
1.5.4 Xác định As tổng bằng phương pháp HVG – AAS 19
1.6 Các phương pháp xử lý ASEN 20
1.6.1 Phương pháp đồng kết tủa 20
1.6.2 Phương pháp hấp phụ 21
1.6.3 Phương pháp sắc kí trao đổi ion 21
1.7 Vật liệu hydroxit sắt dạng hạt 21
1.7.1 Đặc điểm của vật liệu hydroxit sắt dạng hạt 21
Trang 5Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1.7.2 Cơ chế của quá trình xử lý As bằng hydroxit sắt dạng hạt 23
1.7.3 Ưu - nhược điểm của phương pháp 23
1.7.4 Tổng hợp vật liệu 25
1.8 Một số khái niệm trong thông kê số liệu thực nghiệm 26
1.8.1 Khoảng tuyến tính và đường chuẩn 26
1.8.2 Đánh giá độ tin cây của đường chuẩn 26
1.8.3 Giới hạn phát hiện (LOD) 27
1.8.4 Giới hạn định lượng (LOQ) 28
Chương 2 THỰC NGHIỆM 30
2.1 Hóa chất và dụng cụ 30
2.1.1 Hóa chất 30
2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 32
2.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 32
2.2.1 Cơ sở của phương pháp nghiên cứu 32
2.2.2 Phương pháp phân tích 33
2.2.3 Khảo sát các điều kiện tối ưu 33
2.3 Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp 36
2.3.1 Khảo sát khoảng tuyến tính 36
2.3.2 Xây dựng đường chuẩn xác đinh As 36
2.3.3 Đánh giá độ tin cậy của đường chuẩn (độ chệch) 37
2.3.4 Xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng 37
2.4 Phân tích mẫu thực 38
2 5 Vật liệu hydroxit sắt dạng hạt biến tính 41
2.5.1 Quy trình tổng hợp vật liệu 41
2.5.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu bằng phương pháp gián đoạn 42
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45
3.1 Khảo sát các điều kiện tối ưu 45
3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của KI/ascobic đến quá trình khử As (V) thành As (III) 45
3.1.2 Ảnh hưởng của axit tới quá trình khử As(III) thành asin 45
3.1.3 Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4 tới khả năng khử As(III) thành asin 47
Trang 6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.2 Khảo sát khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn xác định asen 48
3.2.1 Khảo sát khoảng tuyến tính 48
3.2.2 Xây dựng đường chuẩn xác đinh As 48
3.2.3 Thực nghiệm đánh giá độ tin cậy của đường chuẩn (độ chệch): 50
3.2.4 Xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng 51
3.4 Xử lý asen bằng vật liệu hydroxit sắt dạng hạt biến tính 54
3.4.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Si/Fe đến độ bền và khả năng hấp phụ của vật liệu 54 3.4.2 Ảnh hưởng của thời gian lắng tới độ bền vật liệu 55
3.4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 56
3.4.4 Xử lý asen bằng vật liệu hydroxit sắt dạng hạt biến tính 58
KẾT LUẬN 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
PHỤ LỤC 64
Trang 7Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường 4
Bảng 1.2 Đặc điểm vật lý và hoá học của vật liệu hydroxit sắt dạng hạt 22
Bảng 2.1 Các phương án tổng hợp vật liệu hydroxit dạng hạt 25
Bảng 2.2 Khu vực lấy mẫu và kí hiệu mã hóa mẫu 38
Bảng 2.3 Các thông số cho quá trình tổng hợp vật liệu hydroxit dạng hạt 41
Bảng 3.1 Khả năng khử các dạng asen thành As(III) của hệ KI/Ascobic 45
Bảng 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ H+ tới độ hấp thụ quang của As 45
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của bản chất axit đến độ hấp thụ quang của As(III) 46
Bảng 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4 tới độ hấp thụ quang của dung dịch As(III) 47
Bảng 3.5 Độ hấp thụ quang và nồng độ asen ở các thời điểm khác nhau 48
Bảng 3.6 Tóm tắt các hệ số từ phương trình Abs = k1* C + k0 thể hiện sự tương quan giữa độ hấp thụ quang và nồng độ asen 48
Bảng 3.7 Chuẩn bị dung dịch xây dựng đường chuẩn 49
Bảng 3.8 Độ hấp thụ quang thu được khi xây dựng đường chuẩn xác định As 49
Bảng 3.9 Kết quả đánh giá độ tin cậy (độ chệch) của đường chuẩn 50
Bảng 3.10 Kết quả thực nghiệm và giá trị tính toán được 51
Bảng 3.11.Kết quả phân tích asen trong mẫu nước ngầm 52
Bảng 3.12 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol Fe/Si đến độ bền của vật liệu54 Bảng 3.13 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian lắng đến độ bền của vật liệu 55 Bảng 3.14 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ bền của vật liệu 56 Bảng 3.15 Chất lượng nước trước xử lý và sau xử lý ở thí nghiệm 1 58
Bảng 3.16 Chất lượng nước trước xử lý và sau xử lý ở thí nghiệm 2 59
Trang 8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Một số hình ảnh về nạn nhân nhiễm độc As 9
Hình 1.2 Bản đồ phân bố As trong nước ngầm tỉnh Thái Bình , Nam Định , Ninh Bình năm 2001 16
Hình 1.3 Vật liệu hydroxit sắt dạng hạt 22
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống và thiết bị lọc sử dụng vật liệu hydroxit sắt dạng hạt 24
Hình 2.1 Vật liệu hydroxit dạng hạt biến tính thu được sau khi nung sấy tại nhiệt độ tối ưu 42
Hình 2.2 Xử lý asen bằng vật liệu hydroxit dạng hạt biến tính 44
Hình 2.3 Xử lý asen bằng vật liệu hydroxit dạng hạt biến tính 44
Hình 3.1 Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của As vào nồng độ H+ 46
Hình 3.2 Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của dung dịch As theo nồng độ NaBH4 47
Hình 3.3 Đường chuẩn xác định As 50
Hình 3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ Si/Fe tới hiệu suất hấp phụ As(III) 54
Hình 3.5 ảnh hưởng của thời gian lắng tới hiệu suất hấp phụ 56
Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới hiệu suất hấp phụ trong điều kiện hấp phụ gián đoạn 57
Hình 3.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ bền của vật liệu 57
Trang 9Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU
Xã hội ngày càng phát triển thì vấn đề về môi trường ngày càng được quan tâm và chú trọng đặc biệt vì nó liên quan trực tiếp đến sức khoẻ con người Trong những năm gần đây, nước sạch luôn là vấn đề thời sự đang được các cấp, các ngành
và chính phủ đặc biệt quan tâm Vấn đề “làng ung thư” đang bùng phát ở nước ta trong thời gian gần đây có nguyên nhân trực tiếp do nguồn nước sinh hoạt của người dân Các chất thải của các xí nghiệp, nhà máy đã khiến cho không chỉ nguồn nước, mà đất ở đây cũng bị ô nhiễm trầm trọng Trong nước giếng khoan mà người dân sử dụng làm nước sinh hoạt chứa nhiều chất ô nhiễm, trong đó phải kể đến asen (thạch tín) Người uống nước bị ô nhiễm asen, lâu ngày sẽ tích lũy trong cơ thể, có thể gây một số bệnh như: bệnh Bowen, bệnh sừng hóa da, bệnh “bàn chân đen” Tình trạng nhiễm độc asen nặng hơn có thể gây ung thư (gan, phổi, bàng quang và thận) hoặc viêm răng, khớp, gây bệnh tim mạch, cao huyết áp Ảnh hưởng độc hại đáng lo ngại nhất của asen tới sức khỏe là khả năng gây đột biến gen, ung thư, thiếu máu, các bệnh tim mạch
Trên thế giới , vấn đề ô nhiễm As trong nước ngầm đã tr ở thành đề tài được các nhà khoa học thuộc nhiều ngành khoa học quan tâm Nhiều công trình , dự án điều tra, tìm hiểu đã được tiến hành một cách công phu , có hệ thống và vài địa điểm được đánh giá là điểm nóng ô nhiễm arsenic của thế giới như Bangladesh , Ấn Độ hay một số khu vực của Trung Quốc
Tại Việt nam vào đầu thập kỷ 90, các giếng khoan nước ngầm UNICEF đã phát triển mạnh trong cả nước và trở thành một nguồn cung cấp nước sinh hoạt chính cho nhiều vùng nô ng thôn và ngoại thành Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu từ những năm 1990 đến nay cho thấy nhiều vùng củ a miền Bắc như: Hà Nam, Hà Tây, Ninh Bình, các vùng ven 2 bờ sông Hồng và một số địa phương vùng đồng bằng sông Cửu Long có xác suất ô nhiễm As khá cao Mức độ và cơ chế ô nhiễm được nhiều cơ quan nghiên cứu tiến hành khảo sát , đánh giá trong các công trình khoa học với sự hỗ trợ vốn của Nhà nước và các tổ chức quốc tế như WHO , UNICEF,
Trang 10Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2
DANIDA Các phát hiện về sự ô nhiễm As trong các nguồn nước ngầm cho thấy hàng triệu người đang phải đối mặt với các nguy cơ do sự ô nhiễm này gây ra
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm As trong nước ngầm đã không còn là vấn đề của riêng một quốc gia nào mà thực sự trở thành mối quan tâm của cả thế giới khi xảy ra thảm họa nhiễm độc As trên diện rộng ở Bangladesh và Tây Bengan Ấn Độ Ngoài
ra, nhiều nơi trên thế giới như Đài Loan, Alaska, Argentina, Canada, Mỹ, Việt Nam cũng có nguồn nước ngầm bị nhiễm As Nguyên chính của quốc nạn As ở nhiều nước trên thế giới là do người dân chuyển từ việc dùng nước mặt sang dùng nước ngầm Sử dụng nước ngầm đã tạo ra một sự cải thiện quan trọng về vệ sinh dịch tễ song chưa lường trước được sự nhiễm As, các kim loại nặng và các hợp chất độc hại khác
Nhận thức được sự quan trọng của vấn đề ô nhiễm As trong nguồn nước sinh
hoạt, chúng tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu xác định h àm lượng As trong
nước ngầm và xử lí bằng vật liệu hydroxit sắt dạng hạt biến tính” Mục tiêu của
đề tài là: Xác định mức độ nhiễm As trong một số nguồn nước ngầm , đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước và đ ề xuất giải pháp xử lí nhằm giảm thiểu tác hại của As
đến sức khỏe con người
Trang 11Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Nguồn gốc ô nhiễm và các dạng tồn tại của ASEN trong nước
1.1.1 Trạng thái tự nhiên và nguồn gốc ô nhiễm As
Asen phân bố khá rộng rãi trong tự nhiên, chúng tồn tại chủ yếu trong các hợp chất ít tan ở dạng vô cơ và hữu cơ Trong tự nhiên As tồn tại chủ yếu ở các dạng hợp chất với S, O, Cl, trong khoáng vật như khoáng sắt, đá vôi, muối mỏ, reagal As4S4, opriment As2S3, asenopirit FeAsS, quặng kẽm,…[3],[17],[20]
Dưới tác dụng của các quá trình khoáng hóa trong tự nhiên, các hợp chất ít tan của As bị tan dần tạo thành các ion, đi vào các nguồn nước như: nước sông, suối, nước biển và nước ngầm
Việc sử dụng rộng rãi As trong nhiều ngành công nghiệp như dược, sản xuất kính, chất nhuộm, chất độc ăn mòn, thuốc trừ sâu thuốc diệt nấm, thuộc da, hoặc ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như công nghiệp xi măng, nhiệt điện, công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễm không khí, nước bởi
As [13],[15],[27] Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng như: Quá trình luyện kim quặng sunfua tạo ra nguồn ô nhiễm As Do việc khai thác , đào
ở các mỏ nguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua làm gia tăng quá trình phong hóa, bào mòn và tạo ra khối lượng lớn đất đá thải có lẫn asenopyrit ở lân cận khu
mỏ Tại các nhà máy tuyển quặng, asenopyrit được tách ra khỏi các khoáng vật có ích và phơi ra không khí Asenopyrit bị rửa trôi dẫn đến hậu quả là một lượng lớn
As được đưa vào môi trường xung quanh Những người khai thác tự do, khi đãi quặng đã thêm vào axit sunphuric, xăng dầu, chất tẩy Asenopyrit sau khi tách khỏi quặng sẽ thành chất thải và được chất đống ngoài trời và trôi vào sông suối gây ô nhiễm tràn lan Bên cạnh đó, các quá trình tự nhiên như địa chất, địa hóa, sinh địa hóa, đã làm cho As nguyên sinh có mặt trong một số thành tạo địa chất (các phân
vị địa tầng, các biến đổi nhiệt dịch và quặng hóa sunphua chứa As) tiếp tục phân tán hay tập trung gây ô nhiễm môi trường sống [1],[16],[20],[25]
Trang 12Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4
1.1.2 Các dạng tồn tại của As trong nước
Sau khi phát tán vào môi trường, As tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy theo bản chất của nguồn phát tán, điều kiện phát tán và điều kiện của môi trường tồn tại
Bảng 1.1 Một số dạng As trong các đối tượng sinh học và môi trường
-10 Asenocholin (2-trimetylasonietanol) Me3As+CH2CH2OH
Các dạng tồn tại của As trong nước được quan tâm nhất trong phân tích môi trường đó là: As(III), As(V), DMAA và MAA Trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn Hàm lượng As trong nước ngầm phụ thuộc vào tính chất và trạng thái As tồn tại trong nước ngầm ở dạng H2AsO4- (trong môi trường pH axit đến gần trung tính), HAsO42- (trong môi trường kiềm) Hợp chất H3AsO3 được hình thành chủ yếu trong môi trường oxi hóa - khử yếu [25],[28]
1.2 Độc tính của asen
1.2.1 Tác động sinh hóa
Asen và hợp chất của asen có mặt ở khắp mọi nơi như trong không khí, đất, thức ăn, nước uống và có thể xâm nhập vào cơ thể theo 3 đường: hô hấp, da và chủ yếu là qua đường ăn uống Các hợp chất dễ tan của asen hấp thụ qua đường