Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu FK đối với Arsen

Nước ngầm thường là nguồn nước được ưa thích đối với các hệ thống cấp nước cộng đồng bởi vì các nguồn nước ngầm thường ít ô nhiễm và lưu lượng khai thác không phải phụ thuộc nhiều vào sự

Chương 1 GIỚI THIỆU

Nước là một trong những yếu tố vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của con người Hiện nay với sự bùng nổ dân số thế giới thì vấn đề cung cấp nước sạch phục vụ nhu cầu ăn uống và sinh hoạt của con người đang trở thành vấn đề nóng bỏng mà xã hội quan tâm Trong khi các nguồn nước mặt như: sông, suối, ao, hồ đang ngày càng bị ô nhiễm một cách nghiêm trọng bởi nước thải sinh hoạt, nước thải từ các nhà máy công nghiệp, hoạt động nông nghiệp,… thì hiện trạng biến đổi khí hậu toàn cầu làm cho trái đất nóng dần lên cũng là nguyên nhân góp phần làm cho nguồn nước ngày càng bị cạn kiệt

Vì vậy, việc tái sử dụng nguồn nước thải từ các nhà máy công nghiệp hoặc khai thác tốt nguồn nước có sẵn trong tự nhiên là việc làm rất cần thiết hiện nay Trong đó, việc khai thác và sử dụng nước ngầm được xem như là một giải pháp hữu hiệu Nước ngầm thường là nguồn nước được ưa thích đối với các hệ thống cấp nước cộng đồng bởi vì các nguồn nước ngầm thường ít ô nhiễm và lưu lượng khai thác không phải phụ thuộc nhiều vào sự biến động của môi trường Tuy nhiên, trong quá trình khai thác nước ngầm thì sự tồn tại của Arsen là một trong những vấn đề đáng quan tâm thời gian gần đây

Vấn đề ô nhiễm Arsen trong nước ngầm là một thực trạng đáng lo ngại không chỉ của Việt Nam mà của cả Thế Giới An Giang là tỉnh có mức độ ô nhiễm Arsen trong nước ngầm rất cao, điển hình là huyện An Phú có trên 800 giếng khoan nhiễm Arsen Nồng độ Arsen trong các tầng trầm tích được phát hiện đến độ sâu 40 m

Nhận thức được những ảnh hưởng của Arsen đến sức khỏe con người Vì lý

do đó nên nhóm nghiên cứu chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu FK đối với Arsen”.

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng nguồn tro trấu từ các lò đốt (đã hoạt hóa bằng axit H2SO4) và gắn các hợp chất vô cơ (chất HĐBM có hoạt tính riêng đối với Arsen) làm vật liệu hấp phụ Arsen có trong nước ngầm.

Chương 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về hấp phụ

việc sản xuất chất xúc tác ( Nguyễn Bin, 2005)

2.1.2 Bản chất hiện tượng hấp phụ

Như chúng ta đã biết, các phần tử trên bề mặt chất rắn luôn tồn tại một năng lượng dư, đó là do: giới hạn bề mặt của vật liệu và sự mất trật tự bên trong cấu trúc của vật liệu

Chính nguồn năng lượng dư này đã giúp các phân tử có khả năng bắt lấy các phân tử khác nằm gần vị trí đó trên bề mặt chất rắn nhằm giải tỏa nguồn năng lượng dư, đây chính là bản chất của hiện tượng hấp phụ Và vị trí của nguồn năng lượng dư này được gọi là tâm hấp phụ Người ta không thể xác định được giá trị năng lượng dư trên các tâm hấp phụ Trong thực tế, để đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu người ta thường dùng thông số bề mặt riêng của vật liệu (là diện tích bề mặt của chất hấp phụ tính cho một gam chất hấp phụ, thường có đơn vị

Bảng 2.1: Diện tích bề mặt riêng của một số vật liệu hấp phụ

( Nguồn : Rice hush ash market study 2003 – UK)

2.1.3 Phân loại các quá trình hấp phụ

Dựa vào bản chất quá trình hấp phụ, có thể chia thành hai loại đó là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Trong đó:

a Hấp phụ vật lý

Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ được thực hiện bởi các lực vật lý ví dụ như lực Van - der - Walls Đặc điểm của quá trình này là:

- Xảy ra ở nhiệt độ thường (có thể ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường)

- Năng lượng cho quá trình này thường vào khoảng ≤ 20kJ/mol

- Không hình thành liên kết hóa học

- Có thể hình thành các hấp phụ chồng chất lên nhau

Lưu ý rằng các yếu tố như diện tích bề mặt riêng (Sr), kích thước lỗ xốp, bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ (tính phân cực) sẽ quyết định khả năng hấp phụ

Chất hấp phụLớp hấp phụ thứ hai

Lớp hấp phụ thứ nhất

Hình 2.1: Mô tả hấp phụ vật lý với hai lớp chất hấp phụ

b Hấp phụ hóa học

Là quá trình hấp phụ được thực hiện bởi các lực liên kết có bản chất hóa học Tức là quá trình này có sự hình thành các liên kết hóa học Đặc điểm của quá trình này là:

- Được thực hiện ở nhiệt độ cao

- Quá trình được tiến hành chậm hơn so với các quá trình phản ứng hóa học

c Tiêu chuẩn phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học

sôi nhưng thường rất thấp

Phụ thuộc năng lượng hoạt hóa nhưng thường không cao

Có 3 tương tác chính trong quá trình hấp phụ: chất hấp phụ - chất bị hấp phụ, chất hấp phụ - dung môi nước, chất bị hấp phụ - dung môi Lực nào tương tác mạnh hơn sẽ đóng vai trò quyết định cơ chế.

2.1.5 Động học quá trình hấp phụ

Quá trình hấp phụ từ pha (lỏng hay khí) lên bề mặt xốp của chất hấp phụ gồm ba giai đoạn:

- Chuyển chất lỏng từ pha lỏng đến bề mặt ngoài của các hợp chất hấp phụ

- Khuyến tán vào các mao quản của hạt

- Hấp phụ: quá trình hấp phụ làm bảo hòa dần từng phần không gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, nên luôn kèm theo

sự tỏa nhiệt Hiệu ứng này rất đáng kể đối với hấp phụ khí (Nguyễn Bin, 2005)

2.2 Tổng quan về nước ngầm

2.2.1 Hiện trạng sử dụng nước ngầm

Đồng bằng Sông Cửu Long:

ĐBSCL hiện có hơn 400.000 giếng nước ngầm cùng hàng trăm trạm cấp nước tập trung khai thác nước ngầm với quy mô lớn Một số tỉnh như Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau gần như sử dụng 100% nước ngầm phục vụ sinh hoạt và các hoạt động sản xuất kinh doanh Hiện tại Cà Mau đang là địa phương dẫn đầu ĐBSCL về khai thác nước ngầm với 137.988 giếng đang sử dụng Tuy nhiên ĐBSCL hiện có hàng ngàn giếng khai thác nước ngầm đang bị bỏ phế, không được trám và lấp đúng kỹ thuật dẫn đến nguy cơ sụp, lún tầng khai thác, suy thoái tầng nước, nhiễm mặn, ô nhiễm nguồn nước ngầm rất lớn Trong đó,

Cà Mau có 3.238 giếng, Bạc Liêu 1.700 giếng, Trà Vinh 1.600 giếng…

Tỉnh An Giang:

Theo số liệu từ Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Tài nguyên Môi trường tỉnh An Giang cung cấp, hiện nay toàn tỉnh có 7133 giếng, trong đó chỉ có 6466 giếng là đang sử dụng, còn 667 giếng còn lại đang trong tình trạng không được

sử dụng và bị hư hỏng, chiếm tỷ lệ là 9,35%, đó là một tỷ lệ khá cao Từ trước đến nay chưa có cơ quan nào có trách nhiệm xử lý nước giếng bị ô nhiễm hoặc giếng bị hư hỏng nên nguy cơ gây nhiễm bẩn nguồn nước ngầm khá cao Các địa phương có số lượng giếng nhiều nhất của tỉnh là Tri Tôn, An Phú, Chợ Mới, Tân Châu…

Ở tỉnh ta số lượng giếng phục vụ cho các mục đích khác nhau có sự chênh lệch rất lớn Số lượng giếng phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt chiếm tỷ lệ cao nhất 92,12% Trong khi đó, số giếng phục vụ cho sản xuất nông nghiệp chỉ chiếm 7,3% và số giếng còn lại chiếm tỷ lệ chưa tới 0,6% (một tỷ lệ rất thấp) nhưng vừa phục vụ cho công nghiệp (0,26%) vừa cung cấp nước cho các trạm bơm cấp nước của tỉnh (0,32%).

2.2.2 Vai trò của nước ngầm đối với đời sống

Đối với các hệ thống cấp nước công cộng, nước ngầm luôn là nguồn nước được ưa thích hơn Vì nước mặt thường dễ bị ô nhiễm và có trữ lượng khai thác không ổn định, thay đổi theo mùa Trong khi đó, nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi các tác động của con người và hàm lượng chất rắn lơ lửng, rong tảo là rất thấp, gần như là không có Các chỉ tiêu vi sinh vật gây bệnh trong nước ngầm cũng tốt hơn nước mặt Thế nhưng vì trữ lượng lớn và dễ khai thác nên nguồn nước mặt trên trái đất đang được khai thác và sử dụng quá mức nên ngày càng bị hao hụt về số lượng, suy giảm về chất lượng Do đó, hiện nay nước ngầm đóng vai trò hết sức quan trọng và cần thiết đối với cuộc sống của con người Nước ngầm thường được sử dụng phục vụ cho sinh hoạt, các ngành công nghiệp, y học,

du lịch.v.v… Đối với một số vùng ven biển, nhiễm phèn, khô hạn nước ngầm còn dùng để sản xuất hoa màu và nuôi trồng thủy sản Bên cạnh đó nước ngầm còn đóng góp rất lớn cho dòng chảy sông ngòi của nhiều con sông

2.2.3 Thành phần và đặc điểm của nước ngầm

Trong nước ngầm thường tồn tại các anion và cation, mà chủ yếu là Na+,

Ca2+, Fe2+, Mg2+, NH4+, HCO3-, SO42-, Cl- Thế nhưng Fe2+, Mn2+ là thành phần luôn được quan tâm, chú trọng trong quá trình xử lý nước cấp, vì sự hiện diện thường xuyên của chúng trong nước ngầm với hàm lượng khá cao Thực tế nước ngầm còn chứa rất nhiều loại muối như: Na2CO3, MgCO3, Na2SO4, Fe2(SO4)3, Al2(SO4)3, NaHCO3 NaCl, NaBr Thành phần chất lượng của nước ngầm phụ thuộc vào nguồn gốc của nước ngầm, cấu trúc địa tầng của khu vực và chiều sâu địa tầng nơi khai thác nước Người ta chia nước ngầm ra làm hai loại khác nhau:

- Nước ngầm hiếu khí (có oxy): thông thường nước có oxy có chất lượng

tốt, có trường hợp không cần xử lý mà có thể cấp trực tiếp cho người tiêu thụ Trong nước có oxy sẽ không có các chất khử như H2S, CH4, NH4+…

- Nước ngầm yếm khí (không có oxy): trong quá trình nước thấm qua các

tầng đất đá, oxy bị tiêu thụ Khi lượng oxy hòa tan trong nước bị tiêu thụ hết, các

chất hòa tan như Fe2+, Mn2+ sẽ được tạo thành Mặt khác các quá trình khử NO3-

=> NH4+; SO42- => H2S; CO2 => CH4 cũng xảy ra (Nguyễn Thị Thu Thuỷ, 2006)

2.2.4 Nguồn gốc và nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm

 Nguồn tự nhiên:

Lũ lụt, hạn hán, xói mòn, rửa trôi các hợp chất hữu cơ và vô cơ từ quá trình phân hủy xác động thực vật và quá trình theo nước mưa thấm vào nước ngầm

 Nguồn nhân tạo:

Đây là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nước ngầm, bao gồm các vấn đề sau:

- Tốc độ phát triển kinh tế cùng với sự bùng nổ dân số kéo theo nhu cầu sử dụng nước gia tăng Dẫn đến tình trạng khai thác nước ngầm quá mức và bừa bãi không theo qui định và làm suy giảm về số lượng và suy thoái về chất lượng nước Mực nước ngầm hạ thấp sẽ dễ bị nhiễm mặn, tạo điều kiện để các chất độc, chất bẩn xâm nhập và làm ô nhiễm nước ngầm

- Nước thải từ các khu công nghiệp, khu chế xuất, khu chăn nuôi, bệnh viện, khu dân cư và nước rỉ từ các bãi rác, bể phân hóa học

- Dư lượng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc bảo vệ thực vật, phân bón hóa học… từ các cánh đồng

- Nạn khai thác rừng bừa bãi làm giảm khả năng giữ đất, giữ nước, dẫn đến lượng nước thấm vào đất cũng giảm theo, do đó trữ lượng nước ngầm sẽ bị hạ thấp

2.3 Tổng quan về Arsen (thạch tín)

2.3.1 Arsen

Arsen (As) là nguyên tố hình thành tự nhiên trong vỏ trái đất As nguyên chất là kim loại màu xám, nhưng dạng này ít tồn tại trong thiên nhiên Người ta thường tìm thấy As tồn tại dưới dạng hợp chất với một hay một số nguyên tố khác như oxy, clo, lưu huỳnh, Arsen kết hợp với những nguyên tố trên tạo thành các hợp chất Arsen vô cơ như các khoáng vật: Đá thiên thạch, Orpiment (As2S3), Arsenolite (As2O3),… hợp chất của Arsen với carbon và hydro gọi là hợp chất As hữu cơ Các dạng hợp chất hữu cơ của As thường ít độc hại so với các

hợp chất As vô cơ (Lê Huy Bá, 2006)

Qua các tài liệu nghiên cứu cho thấy độc tính của As phụ thuộc rất lớn vào hình thức tồn tại, trạng thái oxy hóa và độ tan (hay hàm lượng) của nó trong môi

trường, cụ thể là các dạng hợp chất As hóa trị III có độc tính cao hơn dạng hóa trị

V

2.3.2 Tính chất của Arsen

Arsen và các hợp chất vô cơ của nó là những chất rất độc, chúng tồn tại phổ biến trong thiên nhiên và cũng có mặt trong sản xuất công nghiệp Arsen là một á

kim màu xám trắng, mùi tỏi, tỷ trọng là 5,7 (tỷ trọng của nước là 1) Khi làm

nóng As chảy ra và thăng hoa ở nhiệt độ 613 0C (Lê Huy Bá, 2006)

As tinh khiết được xem là không độc, nhưng trong điều kiện bình thường

As không bao giờ ở trạng thái tinh khiết vì khi tiếp xúc với không khí một phần

As đã bị phân hóa oxit rất độc Arsen cháy trong không khí tạo thành khói trắng

gọi là trioxit arsen rất độc (Lê Huy Bá, 2006)

2.3.3 Nguồn gốc và sự phân bố Arsen trong môi trường

As là nguyên tố khá phổ biến trên trái đất Trong thiên nhiên As có thể tồn tại trong môi trường đất, nước, không khí, sinh học và liên quan chặt chẽ tới các quá trình địa chất, địa hóa, sinh địa hóa Trong lớp vỏ trái đất As chiếm khoảng 0,001%, tồn tại chủ yếu dưới dạng các loại quặng như: quặng arsenite của Cu, Pb, Ag hoặc quặng sunfua: As2S2; As2S; As2S3, As cũng có thể có trong than đá với hàm lượng cao Đồng thời người ta còn tìm thấy sự hiện diện của As trong đá, quặng; đất, vỏ phong hóa; trầm tích bời rời; không khí, nước và trong

cơ thể sinh vật Trong khí quyển tồn tại cả As vô cơ và hữu cơ, người ta còn phát hiện sự có mặt của As trong nước mưa dưới dạng arsenit Ngoài ra As còn tồn tại trong rau quả, thực phẩm, trong cơ thể động vật và người với nồng độ rất nhỏ, gọi là vi lượng Dưới tác động của các quá trình tự nhiên và nhân sinh khác nhau

As có thể di chuyển từ các hợp phần môi trường này sang hợp phần môi trường khác dẫn đến sự phân bố phức tạp của các nguyên tố trong tự nhiên

2.3.4 Nguồn gốc ô nhiễm Arsen

Các quá trình phong hóa đá chứa As và các hoạt động của con người thải As vào môi trường đất, nước và không khí

Quá trình tự nhiên:

Quá trình nhiệt dịch, tạo quặng sulfua, đá kim, vàng; hoạt động núi lửa; quá trình phong hóa diễn ra ở các vùng núi với các đá biến đổi nhiệt dịch, quặng vàng, đa kim

Quá trình xói mòn, phong hóa làm giàu As trong quặng oxyhydroxit sắt sau

đó là những quá trình bồi đắp phù sa, trầm tích hóa dẫn tới hình thành trầm tích chứa As trong các địa tầng

Quá trình khử hóa, hòa tan các khoáng chất giàu As trong đất vào nguồn nước ngầm Do đó, những vùng có nhiều khoáng giàu As thì khả năng gây ô nhiễm nguồn nước càng cao

Hoạt động của con người:

As được sử dụng nhiều trong công nghiệp và được sử dụng hạn chế trong thuốc trừ sâu, chất phụ gia trong thức ăn gia súc và trong các dược phẩm

 Trong công nghiệp:

- As xâm nhập vào môi trường qua nguồn nước thải công nghiệp, khí thải,

xử lý các khoáng As, sự đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch, các chất thải rắn trong công nghiệp…

- Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng, nhất là quặng sunfua, luyện kim tạo ra nguồn ô nhiễm As

- Chế tạo, sản xuất các hoá chất bảo vệ thực vật

 Trong nông nghiệp

As có mặt trong thành phần của các loại thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, chất

2.3.5 Hiện trạng nguồn nước bị nhiễm Arsen

a Tình hình nhiễm Arsen trên thế giới

Ở Liên xô trước đây việc đốt than làm nhiệt năng đã thải vào không khí khoảng 3000 tấn As/năm Người ta đã phát hiện nhiều vùng ô nhiễm đất, nước, thực vật bởi As ở Bawngladet, Ấn Độ, Mỹ, Italia, Nhật,… Ước tính có tới hàng chục triệu người trên thế giới đang sống trong những vùng môi trường giàu As có

nguy cơ đe dọa sức khỏe và tính mạng Tại Băngladet có khoảng 2 – 4 triệu giếng khoan khai thác nước Thử nghiệm 8000 giếng khoan ở 60 trong 64 tỉnh cả nước cho thấy có 51% số mẫu nước có hàm lượng As vượt quá 0,05 mg/l (ngưỡng quy định của tổ chức WHO là 0,01 mg/l)

Sự ô nhiễm Arsen trong nước dưới đất ở vùng Ronphiboon ở Thái Lan lại

có nguyên nhân do nước thải giàu arsenopyrit từ những khu vực khai thác chế biến quặng thiếc – volfram đã ngấm vào lòng đất

Hiện tượng ô nhiễm Arsen trong môi trường đã được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới, trong đó có những khu vực hàm lượng hàm lượng Arsen rất cao như: ở Anh trong đất tới 2%, ở Mỹ trong nước tới 8 mg/l, Chile – 800mg/l, Gana

– 175 mg/l,… (Lê Huy Bá, 2006)

b Tình hình nhiễm Arsen ở Việt Nam

Theo báo cáo chưa đầy đủ của Chương trình nước sạch (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn), ở nước ta hiện có 10 – 15 triệu dân đang sử dụng mạch nước ngầm Qua kết quả kiểm tra 1 triệu giếng khoan của chương trình này cho thấy: tỷ lệ nhiễm As lên đến 26% – 46%, nhằm khu vực có nồng độ As cao gấp

20 – 50 lần tiêu chuẩn của WHO, bao gồm vùng trung du (khoan sâu) và cả vùng đồng bằng, thành phố (khoan nông hơn) như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hà Nam,

Hà Tây, Hưng Yên, Nam Định, An Giang, Đồng Tháp

Hà Nội nằm trong danh sách 10 tỉnh, thành có nguồn nước ngầm bị nhiễm

As vượt quá mức cho phép và ảnh hưởng đến sức khỏe người dân (Hà Nội, Hà Nam, Hà Tây, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Hải Dương, Đồng Tháp và An Giang) Mức độ ô nhiễm As trong nước ngầm tại Hà Nội phân bố không đều theo diện tích và chiều sâu các tầng chứa nước, thường tập trung ở một số khu vực có địa hình thấp và trũng, nhất là khu công nghiệp tập trung Về mặt phân vùng ô nhiễm As thì khu vực Nam Hà Nội bị ô nhiễm nặng hơn so với các khu vực khác Hai huyện Thanh Trì và Từ Liêm của Hà Nội là những vùng bị nhiễm nặng nhất

ĐBSCL có cấu tạo địa tầng tương tự như Bangladesh, do đó có nguy cơ ô nhiễm As là rất cao Qua một nghiên cứu của Viện Vệ sinh – Y tế công cộng (Bộ

Y tế) về khảo sát, đánh giá hiện trạng ô nhiễm As trong nước ngầm tại 4 tỉnh ĐBSCL là Long An, Đồng Tháp, Kiên Giang và An Giang cho thấy, mức độ nhiễm As ở hàm lượng khá cao, đe dọa sức khỏe của người dân Tại một số huyện của Đồng Tháp và An Giang, tình trạng này rất đáng báo động khi phần lớn các mẫu khảo sát đều bị nhiễm với hàm lượng vượt ngưỡng 100 ppb, cá biệt

có những mẫu lên tới 1.000 ppb, trong khi theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 09:2008/BTNMT, hàm lượng As trong nước ngầm không được lớn hơn 50 ppb Tại Long An, trong tổng số 4.876 mẫu nước ngầm được khảo sát có 56% số mẫu nhiễm As

Tại Đồng Tháp, tình hình cũng đáng báo động, khi có trên 67% số mẫu trong tổng số 2.960 mẫu nước ngầm được khảo sát đã phát hiện nhiễm As Trong

đó, huyện Thanh Bình có tỷ lệ nhiễm As cao với 85% số mẫu thử có hàm lượng trên 50ppb

Trên 51% số mẫu thử trong tổng số hơn 3.000 mẫu được khảo sát phát hiện

đã nhiễm As tại Kiên Giang

c Tình hình nhiễm Arsen trên địa bàn tỉnh An Giang:

Tổng số mẫu khảo sát tại tỉnh An Giang là 2.699 mẫu với tỉ lệ nhiễm As là 20,18%, tập trung nhiều tại một số huyện như: An Phú 97,3%, Phú Tân 53,19%, Tân Châu 26,98% và Chợ Mới 27,82% Hàm lượng As trong nước ngầm tại các huyện này khi phân tích đều từ 100 ppb trở lên, được tìm thấy ở các giếng tầng nông, độ sâu chưa tới 60m và được dùng cho sinh hoạt phổ biến trong người dân Đặc biệt theo thống kê vào năm 2005, huyện An Phú có 257 trên tổng số 450 giếng trên địa bàn tỉnh có hàm lượng As cao hơn QCVN, chiếm tỷ lệ là 57,11% Trong tháng 11/2006, Viện Y học lao động và môi trường TP.HCM đã tổ chức khám sức khỏe cho người dân tại 2 huyện Tri Tôn và An Phú, kết quả có đến 10 ca nghi nhiễm As với những biểu hiện của bệnh As ở giai đoạn đầu như sừng hóa da, tăng giảm sắc tố da, xuất hiện các đốm sẫm màu trên cơ thể

Tỉnh An Giang đã khuyến cáo các tổ chức, cá nhân không khoan lắp giếng mới, tiến hành lấp 112 giếng khoan bị nhiễm nặng thạch tín; đồng thời khẩn trương triển khai kế hoạch xây dựng các trạm cấp nước sạch với quy mô nhỏ

2.4 Triệu chứng nhiễm độc Arsen

2.4.1 Cơ chế gây độc của Arsen

As tự do cũng như hợp chất của nó rất độc Trong hợp chất thì hợp chất của As(III) là độc nhất Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã xếp As vào nhóm độc loại A gồm: Hg, Pb, Se, Cd, As

Người bị nhiễm độc As thường có tỷ lệ bị đột biến NST rất cao Ngoài việc gây nhiễm độc cấp tính As còn gây độc mãn tính do tích luỹ trong gan với các mức độ khác nhau

Từ lâu, arsen ở dạng hợp chất vô cơ đã được sử dụng làm chất độc (thạch tín), một lượng lớn arsen loại này có thể gây chết người, mức độ nhiễm nhẹ hơn

có thể thương tổn các mô hay các hệ thống của cơ thể Arsen có thể gây 19 loại bệnh khác nhau, trong đó có các bệnh nan y như ung thư da, phổi Sự nhiễm độc Arsen được gọi là arsenicosis Đó là một tai họa môi trường đối với sức khỏe con người Những biểu hiện của bệnh nhiễm độc Arsen là chứng sạm da (melanosis), dày biểu bì (kerarosis), từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da, viêm răng, khớp Hiên tại trên thế giới chưa có phương pháp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc Arsen Con đường xâm nhập chủ yếu của As vào cơ thể là qua con đường thức

ăn, ngoài ra còn một lượng nhỏ qua nước uống và không khí Cơ chế gây độc của arsen là nó tấn công vào các nhóm sulfuahydryl của enzym làm cản trở hoạt động của các enzym As(III) ở nồng độ cao làm đông tụ các protein do As(III) tấn công vào liên kết có nhóm sunphua

Tóm lại, tác dụng hóa sinh chính của As là: làm đông tụ protein; tạo phức với coenzym và phá hủy quá trình photphat hóa tạo ra ATP

Hàm lượng As trong cơ thể người khoảng 0.08-0.2 ppm, tổng lượng As có trong người bình thường khoảng 1,4 mg As tập trung trong gan, thận, hồng cầu, homoglobin và đặc biệt tập trung trong não, xương, da, phổi, tóc Hiện nay người

ta có thể dựa vào hàm lượng As trong cơ thể con người để tìm hiểu hoàn cảnh và môi trường sống, như hàm lượng As trong tóc nhóm dân cư khu vực nông thôn trung bình là 0,4-1,7 ppm, khu vực thành phố công nghiệp 0,4-2,1 ppm, còn khu vực ô nhiễm nặng 0,6-4,9 ppm

Độc tính của các hợp chất As → arsenat → Arsenit → đối với sinh vật dưới nước tăng dần theo dãy Arsen hợp chất As hữu cơ Trong môi trường sinh thái, các dạng hợp chất As hóa trị (III) có độc tính cao hơn dạng hóa trị (V) Môi trường khử là điều kiện thuận lợi để cho nhiều hợp chất As hóa trị V chuyển sang

As hóa trị III Trong những hợp chất As thì H3AsO3 độc hơn H3AsO4 Dưới tác dụng của các yếu tố oxi hóa trong đất thì H3AsO3 có thể chuyển thành dạng H3AsO4

Nhiễm độc Arsen thường qua đường hô hấp và tiêu hoá dẫn đến các thương tổn da như tăng hay giảm màu của da, tăng sừng hoá, ung thư da và phổi, ung thư bàng quang, ung thư thận, ung thư ruột Ngoài ra, Arsen còn có thể gây các bệnh khác như: to chướng gan, bệnh đái đường, bệnh sơ gan Khi cơ thể bị nhiễm độc

As, tuỳ theo mức độ và thời gian tiếp xúc sẽ biểu hiện những triệu chứng với những tác hại khác nhau, chia ra làm hai loại sau: nhiễm độc cấp tính và nhiễm

độc mãn tính (Trần Thị Thanh Hương, 2010)

2.4.2 Nhiễm độc cấp tính

a Do hấp thụ chất Arsen trong đường tiêu hóa

Trường hợp này hiếm xảy ra, nếu xảy ra thường là do anhidrit arsenơ hoặc

có thể là do chì arsenat được nuốt vào Triệu chứng nhiễm độc thường gặp là rối loạn tiêu hóa (đau bụng, nôn, bỏng và khô miệng, tiêu chảy nhiều và cơ thể bị mất nước …) đây là các triệu chứng xảy ra trong giờ đầu tiên sau khi nuốt phải

As Bệnh cũng tương tự như bệnh tả, có thể dẫn đến tử vong trong vòng 12 – 18 giờ Trường hợp sống sót thì nạn nhân có thể bị viêm da tróc vảy và viêm dây thần kinh ngoại vi

b Do hít thở không khí có bụi, khói hoặc hơi chứa Arsen

Các triệu chứng thường gặp là:

- Kích ứng các đường hô hấp với biểu hiện ho, đau, khi hít vào thấy khó thở

- Rối loạn thần kinh như nhức đầu, chóng mặt, đau các chi

- Rối loại tiêu hóa thường xảy ra rất chậm so với trường hợp nuốt phải As, với các biểu hiện buồn nôn, nôn, tiêu chảy, đau vùng bụng

- Hiện tượng xanh tím mặt được cho là có tác dụng gây liệt của As đối với mao mạch

- Các tổn thương ở mắt như viêm da mi mắt, viêm kết mạc,…

c Khi da tiếp xúc với Arsen

Có thể gây ra viêm da tiếp xúc, viêm nang lông, loét,…

- Tổn thương các niêm mạc, như viêm kết – giác mạc, kích ứng các đường

hô hấp trên Có thể làm thủng vách ngăn mũi

- Rối loạn dạ dày – ruột bao gồm buồn nôn, đau bụng, tiêu chảy và táo bón luân phiên nhau, loét dạ dày

- Rối loạn thần kinh có các biểu hiện như viêm dây thần kinh ngoại vi cảm giác - vận động, đây có thể là biểu hiện duy nhất của nhiễm độc As mãn tính.

- Tác động đến gan Nuốt hoặc hít phải As trong không khí một cách thường xuyên, liên tiếp có thể dẫn tới các tổn thương thoái hóa gan, từ đó có thể dẫn đến xơ gan như đã thấy ở những công nhân dùng các chất liệu côn trùng có chứa As

- Tác động đến tim do As có thể tác động trên cơ tim

- Ung thư da có thể xảy ra khi tiếp xúc với As như thường xuyên nuốt phải trong thời gian dài hoặc da liên tục tiếp xúc với As Arsen cũng được cho là

nguyên nhân nhiều của bệnh ung thư khác ví dụ như bệnh ung thư phổi (Lê Huy

Bá, 2006)

2.5 Một số phương pháp xử lý Arsen

Do tính chất và khả năng hấp phụ tạo thành các hợp chất ít tan của As (V) cao hơn As (III) nên trong hầu hết các phương pháp xử lý thông thường, người ta phải chuyển As từ dạng hóa trị +3 sang As hóa trị +5, để dễ dàng xử lý cũng như loại bỏ As ra khỏi nước

2.5.1 Phương pháp keo tụ - kết tủa

Hình 2.3: Sơ đồ công nghệ xử lý As bằng phương pháp keo tụ - kết tủa

Đây là công nghệ thường được sử dụng nhất

Nguyên tắc công nghệ: sử dụng tác động lý học (làm giàn mưa), hóa chất chuyển đổi (oxi hóa) As từ dạng As(III) sang dạng As(V) và được tách ra bằng

bể lắng hay bể lọc

Hóa chất thường sử dụng là: muối, hoặc hydroxit sắt(III), phèn nhôm, clorine, muối mangan, đồng… Hiệu quả quá trình keo tụ phụ thuộc vào pH của nước, lượng chất keo tụ và thời gian tiếp xúc

- Phương pháp cộng kết tủa - lắng - lọc: là phương pháp xử lý đơn giản

nhất, bằng cách bơm nước ngầm từ giếng khoan, sau đó làm thoáng bằng giàn mưa để oxi hóa sắt, mangan, tạo hydroxit sắt và hydroxit mangan kết tủa Song song đó, As(III) cũng được oxi hóa thành As(V), có khả năng hấp phụ lên bề mặt của các bông keo tụ hydroxyt Sắt hay hydroxit Mangan tạo thành và lắng xuống đáy bể, hoặc hấp phụ và bị giữ lại trên bề mặt hạt cát trong bể lọc Công nghệ này chủ yếu dùng để xử lý sắt và mangan, đồng thời cho phép loại bỏ 50 - 80% As có trong mạch nước ngầm Đối với các hộ gia đình sử dụng giếng

khoan đơn lẻ, có hàm lượng sắt cao trong nước ngầm, mô hình làm thoáng nước ngầm bằng cách phun mưa trên bề mặt bể lọc cát (lọc chậm) khá phổ biến ở các

hộ gia đình hiện nay, cho phép loại bỏ tới 80% As trong nước ngầm cùng với loại bỏ sắt và mangan Nhưng phương pháp này có nhược điểm là hàm lượng

As trong nước ngầm sau khi xử lý lại phụ thuộc rất nhiều vào thành phần các chất và hợp chất có trong nước nguồn Vì vậy đa số các trường hợp, nồng độ As sau khi xử lý đều không đạt tiêu chuẩn cho phép và cần phải được xử lý tiếp tục bằng các phương pháp khác

- Keo tụ bằng hóa chất: Dùng hóa chất tạo kết tủa nhờ các phản ứng hóa

học với các ion trong dung dịch sắt Sắt thường tồn tại trong nước ngầm ở dạng Hydro cacbonat hòa tan, khi gặp oxi sẽ được phản ứng tạo thành chất kết tủa Lắng trong một thời gian dài sẽ làm cho As có trong nước kết hợp và lắng xuống đáy cùng với sắt Phương pháp keo tụ đơn giản nhất là sử dụng vôi sống (CaO) hoặc vôi tôi (Ca(OH)2) để khử As, có thể kết hợp làm mềm nước Hiệu suất đạt khoảng 40 - 70% Để đạt được hiệu suất cao cần điều chỉnh pH > 10,5 Tuy nhiên phương pháp sử dụng vôi để kết tủa có hạn chế là tạo ra một lượng cặn lớn sau

xử lý và hàm lượng As sau khi xử lý thường không đạt yêu cầu, lớn hơn mức cho phép của QCVN 09:2008/BTNMT Ngoài ra còn có thể dùng phương pháp keo

tụ, kết tủa bằng Sunfat nhôm hay Clorua sắt

2.5.2 Phương pháp oxy hóa

Oxy hoá là phương pháp tương đối đơn giản bằng cách dùng các tác nhân oxi hoá như oxy, chlorine, ozone… trong đó oxy được đưa vào bằng phương pháp làm thoáng hoặc sục khí Đồng thời các chất oxy hoá cũng oxy hoá sắt và mangan có sẵn trong nước ngầm As sẽ kết hợp với các hợp chất này tạo thành kết tủa hay chất ít tan Sau khi kết tủa nước được lọc, hợp chất As dạng keo được giữ lại một phần trong bể lắng hoặc trực tiếp qua các lớp vật liệu lọc theo các cơ chế khác nhau Sau đó có thể dùng các phương pháp bổ sung để loại bỏ As ra khỏi nguồn nước Tuỳ theo điều kiện người ta có thể lựa chọn các phương pháp oxy hoá khác nhau

- Oxy hóa bằng các chất oxy hóa mạnh: Do As(III) bị oxy hóa thành

As(V) với tốc độ rất chậm, có thể sử dụng các chất oxy hóa mạnh như Cl2, H2O2 hoặc O3 (các chất oxy hóa được phép sử dụng trong cấp nước) để oxy hóa As(III) thành As(V), sau đó lắng và loại bỏ As ra khỏi nước

- Oxy hóa điện hóa: Có thể xử lý nước chứa As bằng phương pháp dùng

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

- Oxy quang hóa: Nhóm các nhà khoa học Australia đã phát minh ra công

nghệ loại bỏ arsenite (As(III)) và cả các chất hòa tan khác như sắt, phosphorus, sulfur, ra khỏi nước bằng cách đưa chất oxy hóa và chất hấp phụ quang hóa (chiếu tia cực tím) vào nước rồi lắng bằng cách tách As(V) ra khỏi nước nhờ hấp phụ bằng các hạt Fe (III) 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

2.5.3 Phương pháp trao đổi ion

Tương tự như quá trình hấp thụ, tuy nhiên lớp vật liệu lọc là những hạt nhựa có khả năng trao đổi, thu giữ các ion As trên bề mặt hạt nhựa Sau thời gian, các hạt nhựa được hoàn nguyên để đảm bảo khả năng xử lý

Đây là quá trình trao đổi giữa các ion trong pha rắn và pha lỏng, mà không làm thay đổi cấu trúc của chất rắn Có thể loại bỏ các ion arsenate (As (V)) trong nước bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-) Loại vật liệu trao đổi ion này có ưu điểm là có thể sử dụng dung dịch muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi ion đã bão hòa As Nồng độ As sau xử

lý có thể hạ thấp tới dưới 2 ppb Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tương đối phức tạp, ít có khả năng áp dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ

và chảy qua tầng cát, As sẽ được cộng kết với Fe(OH)3 và được giữ lại trên bề mặt cát Loại bể này thường được dùng để loại bớt sắt trong nước giếng nếu không nước có mùi rất tanh, có màu vàng, gây khó chịu cho vị giác

- Công nghệ lọc qua lớp vật liệu lọc là cát: As được loại bỏ khỏi nước

trong bể lọc cát nhờ sự đồng kết tủa với Fe(III) trên bề mặt của các hạt cát và không gian giữa các lỗ rỗng trong lớp cát Fe(II) ở dạng hòa tan trong nước, sẽ

bị oxy hóa bởi oxy của không khí để tạo thành Fe(III) Hydroxit Fe(III) sẽ được

hấp phụ trên bề mặt các hạt cát và tạo thành một lớp hấp phụ mỏng As (V) và As(III) trong nước sẽ hấp phụ vào lớp Fe(OH)3 đó và bị giữ lại ở lớp vật liệu lọc Kết quả, nước ra khỏi bể lọc đã được giải phóng khỏi sắt và As

- Công nghệ lọc màng: Có 4 loại màng lọc: màng tinh lọc, siêu lọc, lọc

nano và lọc thẩm thấu ngược

Nguyên tắc công nghệ: các màng lọc có kích thước lỗ rất nhỏ sẽ giữ lại

những chất không tan, ion As Lõi lọc tinh và siêu tinh được sử dụng theo sau quá trình đồng kết tủa Nhược điểm của công nghệ là chi phí đầu tư và vận hành cao do thay các lõi lọc

Sử dụng các màng bán thấm, chỉ cho phép nước và một số chất hòa tan đi qua, để làm sạch nước Công nghệ lọc màng cho phép có thể tách bất cứ loại chất rắn hòa tan nào ra khỏi nước, kể cả As Tuy nhiên, phương pháp này thường rất đắt tiền và do đó thường được sử dụng trong những trường hợp cần thiết, bắt buộc, khó áp dụng các phương pháp khác như khử muối, loại bỏ một

số ion như As

Hiệu suất và chi phí cho quá trình lọc màng phụ thuộc vào chất lượng nước nguồn và yêu cầu chất lượng nước sau xử lý Thông thường, nếu nước nguồn càng bị ô nhiễm, yêu cầu chất lượng nước sau xử lý càng cao, thì màng lọc càng dễ bị tắc bởi các tạp chất bẩn, cặn lắng và cặn sinh vật (tảo, rêu, vi sinh vật )

Ngoài ra, hiện nay trên thế giới đang nghiên cứu những công nghệ khác để

xử lý As như: quá trình điện phân để loại bỏ As, dùng thực vật để hút As trong nước (một số loài thực vật như thủy trúc (Cyperus Alternifolius hay cây Thalia dealbata) hoặc khoai nước Colocasia Esculenta cũng cho hiệu suất loại bỏ As khỏi nước) … Hoặc kết hợp phương pháp oxi hóa, hấp phụ - lọc với trồng cây hay oxi hóa với lọc cát và trồng cây

2.6 Phương pháp hấp phụ xử lý Arsen

Đây cũng là công nghệ khá phổ biến, vận hành đơn giản Trong thực tế thường sử dụng kết hợp với công nghệ đồng kết tủa cho hiệu quả rất cao (>90%)

Nguyên tắc công nghệ: nước ngầm nhiễm As được đưa qua lớp vật liệu lọc

có tính năng hấp thụ As

Vật liệu lọc: nhôm hoạt tính, than hoạt tính, hạt đồng – kẽm, hạt sắt (hydroxit, oxit), cát bọc thuốc tím (KMnO4), sét khoáng (cao lanh, bentonite); bô-xít, hematile, felspat; nhựa tổng hợp trao đổi anion; mùn cưa; bột giấy Hấp phụ được định nghĩa là hiện tượng tăng nồng độ của một chất lỏng, khí (hoặc hơi) của một chất nào đó trên bề mặt một chất rắn so với xung quanh

nó Hấp phụ là quá trình liên kết khí hoặc chất lỏng trên bề mặt vật thể rắn xốp Quá trình hấp phụ có thể là quá trình chọn lọc và thuận nghịch, có nghĩa là mỗi chất hấp phụ có khả năng chỉ hấp phụ những chất xác định và không hấp phụ những chất khác có trong hỗn hợp khí hoặc dung dịch Các chất bị hấp phụ có

thể tách được ra khỏi chất hấp phụ bằng cách giải hấp phụ (Phạm Nguyên Chương, 2002)

Đặc trưng rõ rệt nhất của chất hấp phụ so với các chất rắn khác là cấu trúc xốp và diện tích bề mặt của nó Do vậy, người ta thường chọn những chất hấp phụ có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn Diện tích bề mặt của chất hấp phụ gồm có hai phần: diện tích trong và diện tích ngoài của hạt hấp phụ Diện tích ngoài có trị số rất nhỏ, nên mức độ đóng góp của nó vào tổng diện tích là không đáng kể Vì thế, quá trình hấp phụ thường diễn ra bên trong lòng hạt chất hấp phụ Để tiếp cận đến trung tâm hấp phụ ở bên trong, các chất hấp phụ cần phải được dịch chuyển từ ngoài vào trong và khi giải hấp phụ sẽ dịch chuyển ngược lại từ trong ra ngoài Quá trình dịch chuyển này được gọi là quá trình dịch chuyển khối Quá trình hấp phụ diễn ra theo nhiều giai đoạn nối tiếp nhau: chuyển khối ngoài, chuyển khối qua màng, chuyển khối bên trong và quá trình hấp phụ thật sự, gắn chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ

- Hấp phụ bằng nhôm hoạt hóa: Nhôm hoạt hóa được sử dụng có hiệu

quả để xử lý nước có hàm lượng chất rắn hòa tan cao Tuy nhiên, nếu trong nước tồn tại các hợp chất của Selen, Florua, Clorua, Sunfat với hàm lượng cao, chúng có thể cạnh tranh hấp phụ Nhôm hoạt hóa có tính lựa chọn cao đối với As(V), vì vậy mỗi lần xử lý có thể giảm tới 5 – 10 % khả năng hấp phụ Cần

hoàn nguyên và thay thế vật liệu lọc khi sử dụng Thời gian làm việc của thiết bị phụ thuộc vào chất lượng nước và hàm lượng sắt trong nước nguồn Hàm lượng sắt trong nước nguồn càng cao sẽ tạo ra FeAsO4 làm tăng hiệu suất xử lý As.

- Hấp phụ bằng vật liệu Laterite: Laterite là loại đất axit có màu đỏ, rất

phổ biến ở các vùng nhiệt đới Thành phần chủ yếu của Laterite là các hydroxit Sắt và hydroxit Nhôm, hoặc các oxit ngậm nước của chúng, và một lượng nhỏ các hợp chất của Mangan, Titan Ở điều kiện tự nhiên, loại đất sét này có điện tích bề mặt dương, có khả năng hấp phụ các chất bẩn mang điện tích âm như As

Có thể đưa laterite trực tiếp vào nước cần xử lý như chất hấp phụ, sau đó để lắng, hoặc có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ trong bể lọc Tại Ấn Độ, người ta

đã nghiên cứu thực nghiệm để xử lý As với nồng độ cao trong nước ngầm bằng laterite theo tỷ lệ 5 g laterite/100 ml nước Hiệu suất xử lý đạt 50 – 90 % Hiệu suất có thể đạt cao hơn khi xử lý laterite trước bằng dung dịch HNO3 0,01 M

- Sử dụng viên sắt có chứa Clo: Khi đưa những viên sắt vào trong nước,

Clo có tác dụng làm chất oxi hóa, chuyển As(III) thành As(V) Sau đó As(V) sẽ

bị hấp phụ lên các bông hydroxit Sắt đã tạo thành Sau đó khuấy trộn, để lắng rồi gạn nước trong hoặc lọc qua ống lọc Cặn lắng chứa As được thải ra bãi phế thải As ở đây chuyển hóa sang thể bay hơi AsH3 và khuếch tán vào không khí

- Sử dụng mạt sắt kết hợp với cát: Công nghệ này do các chuyên gia

Trường Đại học Connecticut, Mỹ đưa ra Người ta sử dụng cột lọc với vật liệu hấp phụ bằng mặt sắt trộn lẫn với cát thạch anh Nước ngầm được trộn lẫn với Sulfat Bari và lọc qua cột lọc Mạt sắt là các Ion sắt hóa trị 0, khử As vô cơ thành dạng kết tủa cùng với sắt, hỗn hợp kết tủa, hay kết hợp với sulfat tạo Pyrit

As Phương pháp này có thể được áp dụng để lắp đặt một thiết bị xử lý nước riêng biệt, hay lắp đặt như một chi tiết trong thiết bị xử lý nước giếng khoan

- Hydroxyt sắt: Hydroxit sắt dạng hạt được sử dụng trong cột hấp phụ

Công nghệ này kết hợp những ưu điểm của phương pháp keo tụ - lọc, có hiệu suất xử lý cao và lượng cặn sinh ra ít, so với phương pháp nhôm hoạt hóa, có ưu điểm là đơn giản Hạt Hydroxit sắt được sản xuất từ dung dịch FeCl3 bằng cách cho phản ứng với dung dịch NaOH Kết tủa tạo thành được rửa sạch, tách nước bằng quay ly tâm và tạo hạt dưới áp suất cao Vật liệu này có khả năng hấp phụ cao Nồng độ As trong nước trước xử lý 100 – 180 mg/l, sau xử lý đạt < 10 mg/l