nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm asen bằng phương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thực tế ở các vùng nông thôn

Mặc dù có nhiều phương pháp cho hiệu quả cao để loại trừ hoặc làm giảmnồng độ asen trong nước xuống dưới 10 μg/l theo g/l theo QCVN 02: 2009/BYT hoặc tiêuchuẩn về nước uống của Tổ chức

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN HUỆ - HÀ ĐÔNG

**************

ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ

LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015).

PHƯƠNG PHÁP OXI – QUANG HÓA TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ Ở

CÁC VÙNG NÔNG THÔN.

Lĩnh vực: Hóa học

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

- TS Lê Văn Chiều

- Đơn vị công tác: TT nghiên cứu Công nghệ

TÁC GIẢ:

1.Lê Tùng Sơn Lớp: 11 Hóa 2-THPT chuyên Nguyễn

Huệ

môi trường và phát triển bền vững – Trường

Đại học KHTN – Đại học Quốc gia Hà Nội

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với TS Lê Văn Chiều và ThS.Nguyễn Thị Liên đã tận tình hớng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trờng THPT chuyên Nguyễn Huệ, cha mẹ, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ và động viên chúng em hoàn thành

đề tài này.

Hà Nội, thỏng 12 năm 2014

Nhúm tỏc giả đề tài

Lờ Tựng Sơn – Nguyễn Sơn Khuờ

Mục lục

MỞ ĐẦU 4

1 Lý do chọn đề tài 4

2 Tớnh sỏng tạo của đề tài 5

3 Lợi ớch của đề tài 5

4 Nhiệm vụ của đề tài 5

Chương 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Tổng quan về Asen 6

1.1.1 Asen 6

1.1.2 Tác hại của Asen đối với sức khỏe 6

1.2 Tìm hiểu về nước ngầm Việt Nam 7

1.2.1 Nước ngầm 7

1.2.2 Thực trạng ô nhiễm Asen trong nước ngầm ở Việt Nam 7

1.3 Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm 8

1 3.1 Xử lý bằng công nghệ xử lý giàn mưa 8

1.3.2 Xử lý bằng bể lắng 8

1.3 3 Xử lý bằng bể lọc 8

1.3.4 Công nghệ NanoVAST (Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 kết nối với các kỹ thuật khác) 9

1.3.5 Keo tụ - Kết tủa 9

1.3.6 Oxi hóa 10

1.4 Cơ sở lí thuyết của đề tài 10

Chương 2 THỰC NGHIỆM 12

2.1 Dụng cụ và hóa chất: 12

2.2 Thu mẫu nước: 12

2.3 Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong mẫu nước ngầm 12

2.4 Các bước làm một thí nghiệm 13

2.5 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen 14

2.6 Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng oxi – hóa Asen(III) 14

2.7 Xử lí Asen trong nước có hàm lượng sắt ít 14

2.8 Kiểm tra E.Coli và Coliform trong nước sau xử lý 14

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 15

3.1 Thu mẫu nước 15

3.2 Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong các mẫu nước ngầm 15

3.3 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen 16

3.4 Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng oxi – hóa Asen(III) 17

3.5 Xử lý Asen trong nước có hàm lượng sắt ít 18

3.6 Kiểm tra E.Coli và Coliform trong nước sau xử lý 18

KẾT QUẢ 20

Định hướng trong thời gian tới 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ô nhiễm nước đang là vấn đề nóng bỏng và là mối quan tâm hàng đầu ở ViệtNam cũng như trên thế giới Tại Việt Nam, nước ngầm được sử dụng làm nguồnnước sinh hoạt chính của nhiều cộng đồng dân cư Sự có mặt của Asen trong nướcngầm tại nhiều khu vực, nhất là vùng nông thôn tại Việt Nam đã và đang gây ranhững nguy cơ cho sức khỏe con người Bên cạnh đó tác hại của Asen đối sức khỏechưa được cảnh báo đầy đủ đến người dân Theo thống kê của Bộ Y tế, tính đến năm

2010, hiện có 21% dân số Việt Nam đang dùng nguồn nước nhiễm asen vượt quámức cho phép và tình trạng nhiễm độc asen ngày càng rõ rệt và nặng nề trong dân cư,đặc biệt ở khu vực đồng bằng sông Hồng [3]

Mặc dù có nhiều phương pháp cho hiệu quả cao để loại trừ hoặc làm giảmnồng độ asen trong nước xuống dưới 10 μg/l theo g/l theo QCVN 02: 2009/BYT hoặc tiêuchuẩn về nước uống của Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization - WHO)nhưng các phương pháp đó chỉ có thể thực hiện được với những hệ thống xử lý nướccấp với công nghệ phù hợp, qui mô lớn ở các đô thị, thành phố có kinh tế phát triển.Còn các khu vực nông thôn nghèo, vùng sâu, vùng xa thì các công nghệ vẫn chưađược phổ biến và sử dụng một cách rộng rãi do hạn chế về trình độ dân trí, kinh phí

và bất tiện trong việc vận hành và bảo trì

Phương pháp người dân thường áp dụng theo kinh nghiệm để giảm thiểu/loại

bỏ sắt và asen trong nước giếng khoan là bể lọc cát đơn giản nhưng đôi khi hiệu quảlại không cao do việc vệ sinh, bảo trì không đảm bảo

Với mong muốn góp phần giúp người dân có cơ hội được sử dụng nguồn nướcsạch bằng những biện pháp, phương tiện đơn giản cùng với những kiến thức đã học,sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu chúng em quyết định chọn đề tài:

“Nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm Asen bằng phương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thực tế ở các vùng nông thôn”

Trong đề tài này, chúng em sử dụng các điều kiện, nguyên liệu có sẵn, dễ kiếmnhư ánh sáng mặt trời, chanh, nước oxi già (dung dịch H2O2), đinh sắt gỉ để sử lýnước nhiễm Asen

2 Tính sáng tạo của đề tài

- Chỉ với nước cốt chanh, chai nhựa, giấy nhôm, dung dịch H2O2… (dụng cụ

và nguyên liệu dễ kiếm, không độc hại) kết hợp với ánh sáng mặt trời để loại bỏ Asen

ra khỏi nước ngầm, đồng thời khử trùng nước Thao tác thực hiện đơn giản, có thểtruyền đạt rộng rãi để người dân áp dụng

- Đối với nguồn nước có thành phần sắt và Asen cao, cần bổ sung thêm tácnhân oxi hóa (như H2O2) nhằm tăng khả năng oxi hóa Asen(III) thành Asen (V)

- Đối với nguồn nước có thành phần sắt thấp: bổ sung thêm sắt (dùng đinh sắtgỉ) với mục đích tạo thêm chất hấp phụ Asen

3 Lợi ích của đề tài

- Góp phần chứng minh khả năng loại bỏ asen trong nước bằng phương phápoxi – quang hóa trong điều kiện thường với những nguyên vật liệu đơn giản sẵn có vàtận dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng cho quá trình oxi hóa và khử trùng

- Góp phần tuyên truyền để người dân sống trong những vùng nông thôn cónguồn nước bị ô nhiễm asen có thể tự làm giảm thiểu/loại bỏ asen và khử trùng nước

để ăn uống, sinh hoạt bằng phương pháp đơn giản, dễ thực hiện nhằm bảo vệ sứckhỏe cho chính mình và cộng đồng

4 Nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu những nguồn nước bị ô nhiễm asen ở địa phương để lựa chọn mẫunước để tiến hành thí nghiệm

- Lấy các mẫu nước giếng khoan tại những vùng có nhiều Asen, xác định hàmlượng sắt và Asen trong các mẫu đó

- Tiến hành thí nghiệm với các mức độ bổ sung tăng dần nhằm so sánh khả năngloại bỏ As:

 Không có tác động bên ngoài

 Sử dụng ánh sáng mặt trời

 Sử dụng ánh sáng mặt trời với các lượng nước chanh khác nhau nhằm tìm rađiều kiện pH tối ưu cho khả năng loại bỏ As

 Bổ sung tác nhân oxi hóa (H2O2)

 Bổ sung đinh sắt gỉ nhằm tăng cường quá trình hấp phụ As

- Lấy mẫu nước sau thí nghiệm đem đi phân tích kết quả sắt và Asen

- Đồng thời kiểm tra nước sau xử lý còn khuẩn E.coli và Coliform không.

As tồn tại chủ yếu ở 2 dạng hợp chất vô cơ là asenat [As(V)], asenit [As(III)] As(V)

là dạng tồn tại chủ yếu của As trong nước bề mặt và As(III) là dạng chủ yếu của Astrong nước ngầm

1.1.2 Tác hại của Asen đối với sức khỏe

Ngộ độc asen là các bệnh kinh niên do sử dụng nước uống có chứa asen ở nồng

độ cao trong một khoảng thời gian dài (Asvà nhiều hợp chất của nó là những chất độccực kỳ có hiệu nghiệm) Asen phá vỡ việc sản xuất ATP thông qua vài cơ chế Ở cấp

độ của chu trình axít citric, asen ức chế pyruvat dehydrogenaza và bằng cách cạnhtranh với phốtphat nó tháo bỏ phốtphorylat hóa ôxi hóa, vì thế ức chế quá trìnhkhử NAD+ có liên quan tới năng lượng, hô hấp của ti thể và tổng hợp ATP Sản sinhcủa perôxít hiđrô cũng tăng lên, điều này có thể tạo thành các dạng ôxy hoạt hóa vàsức căng ôxi hóa Các can thiệp trao đổi chất này dẫn tới cái chết từ hội chứng rốiloạn chức năng đa cơ quan Các hiệu ứng bao gồm sự thay đổi màu da, sự hình thànhcủa các vết cứng trên da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận và bàng quang cũngnhư có thể dẫn tới hoại tử Tổ chức y tế thế giới (WHO) đã đề nghị mức giới hạn củaasen là 0,01 mg/L trong nước uống

1.2 Tìm hiểu về nước ngầm Việt Nam

1.2.1 Nước ngầm

Nước ngầm là chỉ loại nước nằm bên dưới bề mặt đất trong các khônggian rỗng của đất và trong các khe nứt của các thành tạo đá, và các không gian rỗngnày có sự liên thông với nhau Một đơn vị đá hoặc các dạng tích tụ vật liệu không cốkết được gọi là tầng chứa khi nó có thể cung cấp một lượng nước có thể sử dụngđược Ở Việt Nam việc khai thác nước ngầm là phổ biến, các hình thức: giếngđào, giếng khoan, giếng khoan nhà máy nước Đối với nhiều đô thị, chẳng hạnnhư Hà Nội, nguồn cung cấp nước chủ yếu là nước ngầm

1.2.2 Thực trạng ô nhiễm Asen trong nước ngầm ở Việt Nam

Vì ở trong điều kiện yếm khí (anaerobic), hầu hết arsenic trong nước ngầm ởViệt Nam ở dưới dạng arsenite [As(III)], một hợp chất arsenic hữu cơ có độc tính caonhất Khi tiếp xúc với không khí hay tia tử ngoại (ultra violet), arsenite bị oxy hóathành arsenate [As(V)] ít độc hơn Khu vực bị ô nhiễm Asen cao nhất là ở đồng bằngsông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long ÐBSH và ÐBSCL được cấu tạo bởi phù samới trong thời kỳ Holocene và Pleistocene nên nước ngầm ở hai vùng nầy có đặc tínhgần giống nhau, đó là chứa nhiều sắt (iron), manganese, và ammonium Kết quả phânchất cho thấy nồng độ của sắt có thể lên đến 56 milligram/lít (mg/l) (trung bình 2,26mg/l) trong các mẩu nước ngầm ở An Giang và Ðồng Tháp vào năm 2004 và 48 mg/l(trung bình 13 mg/l) trong các mẩu nước ngầm ở gần Hà Nội vào năm 2002 [24] Sựhiện diện của sắt rất quan trọng trong việc loại trừ hoặc làm giảm nồng độ arsenictrong nước ngầm, vì arsenate kết hợp với Fe(III) để thành FeAsO4 rồi bị loại ra khỏi

nước ngầm khi kết tủa với Fe(OH)3 Khu vực đồng bằng 10ung Hồng bao gồm HàNội và các tỉnh phía nam Hà Nội như Hà Nam là những khu vực có hàm lượng Asencao.

Bản đồ các khu vực nhiễm Asen trên toàn quốc

1.3 Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm

1 3.1 Xử lý bằng công nghệ xử lý giàn mưa

Nước nguồn hay nước giếng khoan thường tồn tại dưới dạng Fe2+, Mn2+ Giànmưa có tác dụng oxy hoá chuyển đổi thành Fe3+ và Mn4+ và một số tác nhân mangtính khử khác như As (III) cũng được oxy hoá lượng nhỏ

Bể lọc được sử dụng các lớp vật liệu lọc như than hoạt tính, cát, sỏi…Nước sẽ thấmqua lớp than hoạt tính có tác dụng hấp thụ các chất độc hại, các loại vi sinh vật nguyhiểm và trung hoà khoáng chất khó tan trong nước, sau đó nước tiếp tục thấm qua lớpcát và lớp sỏi.

1.3.4 Công nghệ NanoVAST (Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 kết nối với các

kỹ thuật khác)

Trong công nghệ NanoVAST, một hệ thống tiền xử lý theo kỹ thuật thôngthường được lắp đặt trước hệ thống hấp phụ Nhiệm vụ của hệ thống này là bão hòaoxy không khí nhằm tách loại triệt để Fe, Mn… và qua đó giảm tối đa nồng độ asen

và các chất rắn lơ lửng Hiệu quả làm việc của hệ thống này là rất quan trọng nhằmgiảm tải và chống làm bẩn các chất hấp phụ Tùy theo từng nguồn nước hệ thống này

có thể được thiết kế khác nhau

Ưu điểm: Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 hấp phụ với tốc độ nhanh với

dung lượng rất cao, khi cân bằng nồng độ asen trong nước nhỏ hơn tiêu chuẩn chophép (10 ppb) Việc ghép nối hệ thống tiền xử lý với hệ thống lọc nano trên nền vậtliệu NC-F20 và NC-MF cho phép kéo dài thời gian làm việc do nồng độ asen đầu vàocủa cột hấp phụ NC-F20 giảm, tăng thời gian sống của NC-MF và NC-F20 và làmgiảm giá thành

Nhược điểm: Việc kết nối Nano VAST với hệ thống tiền xử lý thông thường

(oxy hóa, lắng, lọc) vẫn sinh ra nhiều cặn rắn (trong bể lắng) chứa nồng độ cao củaasen và chi phí sẽ tăng lên do tốn thiết bị (thiết bị lắng Thiết bị lọc thô và vật liệuCIM…)

1.3.5 Keo tụ - Kết tủa

Cộng kết tủa – lắng – lọc đồng thời với quá trình xử lý sắt và/hoặc mangan cósẵn trong nước ngầm tự nhiên Đây là phương pháp xử lý đơn giản nhất, bằng cáchbơm nước ngầm từ giếng khoan, sau đó làm thoáng để ôxy hóa sắt, mangan, tạohydroxyt sắt và mangan kết tủa Asen (III) được oxy hóa đồng thời thành As (V), cókhả năng hấp phụ lên bề mặt của các bông keo tụ Hydroxyt Sắt hay Mangan tạothành và lắng xuống đáy bể, hay hấp phụ và bị giữ lại lên bề mặt hạt cát trong bể lọc.Nghiên cứu của Trung tâm KTMT ĐT & KCN (CEETIA), Trường ĐHXD và Trungtâm CNMT & PTBV (CETASD), Trường ĐHKHTN năm 2000 – 2002 cho thấy côngnghệ hiện đại có tại các nhà máy nước ở Hà Nội, chủ yếu để xử lý sắt và mangan, chophép loại bỏ 50 – 80% Asen có trong nước ngầm mạch sâu khu vực Hà Nội Nghiêncứu gần đây của CETASD và Viện Công nghệ Môi trường Liên bang Thụy Sĩ cho

thấy đối với các hộ gia đình sử dụng giếng khoan đơn lẻ, nơi có hàm lượng sắt caotrong nước ngầm, mô hình làm thoáng nước ngầm bằng cách phun mưa trên bề mặt

bể lọc cát (lọc chậm), phổ biến ở các hộ gia đình hiện nay, cho phép loại bỏ tới 80%Asen trong nước ngầm cùng với việc loại bỏ sắt và mangan Những nghiên cứu nàycũng đã chỉ rằng hàm lượng Asen trong nước sau khi xử lý bằng phương pháp trênphụ thuộc nhiều vào thành phần các hợp chất khác trong nước nguồn và trong đa sốtrường hợp, không cho phép đạt nồng độ Asen thấp dưới tiêu chuẩn, do vậy cần tiếptục xử lý bằng các phương pháp khác

1.3.6 Oxi hóa

Oxi hóa bằng các chất oxi hóa mạnh: Các chất oxi hóa được phép sử dụng

trong cấp nước như Clo, KmnO4, H2O2, Ozon

Oxi hóa điện hóa: Có thể xử lý nước chứa Asen bằng phương pháp dùng điện

cực là hợp kim và áp dụng cho các hộ sử dụng nước quy mô nhỏ

Oxy- quang hóa: Công nghệ loại bỏ Asenite (As(III)) và cả các chất hòa tan

khác như Sắt, Phosphorus, Sulfur, khỏi nước bằng cách đưa chất oxy hóa và chấthấp phụ quang hóa: (chiếu tia cực tím vào nước rồi sau đó lắng) Chất oxy hóa có thể

là oxy tinh khiết hoặc sục khí Chất hấp phụ quang hóa có thể là Fe(II), Fe(III),Ca(II) Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia cực tím Phản ứng có thể xảy

ra ở nhiệt độ trong phòng và ánh sáng thấp, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp DoAs(III) bị oxy hóa thành As(V) với tốc độ rất chậm, có thể sử dụng các chất oxy hóamạnh như Cl2, H2O2 hoặc O3 Phần lớn chi phí xử lý chính là các chất oxy hóa này

1.4 Cơ sở lí thuyết của đề tài

Trên cơ sở nguyên lý phản ứng oxi hóa quang hóa với nguồn năng lượng từánh sáng mặt trời, kết hợp điều chỉnh pH bằng nước cốt chanh phù hợp cho quá trìnhoxi hóa Fe(II) thành Fe(III), As(III) thành As(V), làm tăng cường khả năng hấp phụAs(V) trên hiđroxit sắt mới sinh dẫn đến làm tăng khả năng loại bỏ As trong nước

Nước ngầm khi vừa lấy lên thường chứa nhiều sắt (II) và Asen (III) Sắt ởtrong nước ngầm sẽ được sử dụng để tạo chất hấp phụ asen Khi phơi nắng cho thêmchanh thì xảy ra các quá trình sau:

Fe(II) hv,chanh  Fe(III) dạng FeOOH

As(III) (asenit)  hv As(V) (asenat)

Sắt hiđroxit mới sinh có khả năng hấp phụ asen dạng asenat tốt nhất As(V)hấp phụ trên bề mặt của kết tủa FeOOH và lắng xuống dưới

Với việc sử dụng các tấm giấy thiếc hoặc nhôm được gấp lại làm tăng cườngkhả năng phản xạ, tích tụ nhiệt và các tia UV trong ánh sáng mặt trời vào khối nướctạo điều kiện cho phản ứng quang hóa diễn ra triệt để, đồng thời cho phép diệt khuẩn,đảm bảo nước sau xử lý an toàn về mặt sinh học

Chương 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Dụng cụ và hóa chất:

- Chai nhựa Lavie loại 500 ml; 350 ml

- Dung dịch HNO3 (xuất xứ: Trung Quốc)

- Dung dịch H2O2 3% (nước oxi già) có thể mua ở các hiệu thuốc thông thường

- Nước cất 2 lần, chanh, giấy nhôm

- Đo tại: Trung tâm phân tích và giám định thực phẩm quốc gia – Viện Côngnghiệp thực phẩm (địa chỉ: 301 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội)

2.2 Thu mẫu nước:

Nước ngầm được lấy tại 3 địa điểm là xã Hồng Dương, huyện Thanh Oai; xãĐông La, huyện Hoài Đức; quận Hà Đông (HĐ1), Hà Nội

Tiến hành làm thực nghiệm ngay sau khi nước được lấy lên Nước chưa đemphân tích được phải bảo quản trong tủ lạnh (4oC)

2.3 Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong mẫu nước ngầm

Lấy các mẫu nước ngầm đã chọn để đo nồng độ Fe và As ban đầu có trong cácmẫu nước đó tại Trung tâm phân tích và giám định thực phẩm quốc gia – Viện Côngnghiệp thực phẩm Kí hiệu các mẫu như sau: Thanh Oai (TO1); Đông La, Hoài Đức

+ Thêm các điều kiện cần khảo sát vào chai (ví dụ: nước

+ Nút kín, lắc mạnh trong khoảng 30 giây để oxi tan tối đa trong nước

+ Phơi nắng trong một ngày từ 7.00h đến 17.00h: chai được đặt nằm ngang và tốtnhất là đặt trên tấm giấy nhôm (loại bọc thực phẩm)