Nghiên cứu biến tính quặng pyrolusite bằng titan và sắt oxit, làm vật liệu hấp phụ, xử lý một số chất độc hại trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Phạm Thị Thanh Yến NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH QUẶNG PYROLUSITE BẰNG TITAN VÀ SẮT OXIT, LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ, XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT Đ

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Phạm Thị Thanh Yến

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH QUẶNG PYROLUSITE BẰNG TITAN VÀ SẮT OXIT, LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ, XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC HẠI

TRONG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015

-

TRONG NƯỚC

Hà Nội – 2015

Trang 2

-

TRONG NƯỚC

Chuyên ngành: Hóa môi trường

Mã số: 60440120

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN MINH NGỌC

Hà Nội – 2015

Trang 3

LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Minh Ngọc đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến

thức quí báu trong quá trình nghiên cứu Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy

giáo PGS TS Trần Hồng Côn cùng các thầy, cô trong phòng thí nghiệm Hóa

môi trường đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn

Cảm ơn các phòng thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm

Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm Hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và làm thực nghiệm

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên cao học

Trang 4

MỞ ĐẦU

Nước là tài nguyên có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự sống của con người cũng như sinh vật trên Trái Đất Ngày nay nguồn nước đang ngày càng bị ô nhiễm bởi các hoạt động của con người Đặc biệt ô nhiễm asen và amoni đang là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu

Theo các nghiên cứu gần đây, người dân một số khu vực ở Hà Nội và một

số tỉnh thuộc đồng bằng sông Hồng, một số tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long đang phải sử dụng nước có hàm lượng asen cao gấp từ 10 đến hàng trăm lần tiêu chuẩn nước sạch Hàm lượng amoni xác định được cũng vượt chỉ tiêu cho phép đến 6 lần hoặc cao hơn Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng và trực tiếp tới sức khoẻ của con người, do sự độc hại của asen và amoni mang lại Nó gây ra rất nhiều loại bệnh nguy hiểm như ung thư da, phổi Vì vậy, việc loại bỏ amoni và các ion kim loại nặng trong nước thải của các đô thị, nhà máy hay xí nghiệp cũng như việc loại bỏ asen trong nước, đặc biệt là nguồn nước ngầm là vô cùng cần thiết và cấp bách

Nhằm đóng góp một phần nhỏ trong việc tìm kiếm và phát triển những vật liệu tối ưu nhất, kinh tế nhất để xử lý nguồn nước bị nhiễm amoni, kim loại nặng,

chúng tôi đã nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu biến tính quặng pyrolusite bằng titan

và sắt oxit, làm vật liệu hấp phụ, xử lý một số chất độc hại trong nước”

Trang 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ASEN

1.1.1 Giới thiệu chung về asen

Hình 1.1 Một mẫu lớn chứa asen tự nhiên

Asen hay còn gọi là thạch tín, có số hiệu nguyên tử 33, là một nguyên tố rất phổ biến và xếp thứ 20 trong tự nhiên, chiếm khoảng 0,00005% trong vỏ trái đất, xếp thứ 14 trong nước biển và thứ 12 trong cơ thể người [13] Asen lần đầu tiên được Albertus Magnus (Đức) viết về nó vào năm 1250 Nó được phát hiện ở dạng lượng vết trong đất, đá, nước, không khí khối lượng nguyên tử của nó bằng 74,92, asen là một á kim gây ngộ độc khét tiếng và có nhiều dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim) và một vài dạng màu đen và xám (á kim) chỉ là số ít mà người ta có thể nhìn thấy Ba dạng có tính kim loại của asen với cấu trúc tinh thể khác nhau cũng được tìm thấy trong tự nhiên (các khoáng vật asen sensu stricto và hiếm hơn là asenolamprit cùng parasenolamprit), nhưng nói chung nó hay tồn tại dưới dạng các hợp chất asenua và asenat

Hàm lượng asen trong nước ngầm phụ thuộc tính chất và trạng thái môi trường địa hoá Asen tồn tại trong nước ngầm ở dạng H2AsO4 -1 ( trong môi trường

pH axit gần trung tính ), HAsO4 -2 ( trong môi trường kiềm ) Hợp chất H3AsO3 hình thành chủ yếu trong môi trường khử yếu Các hợp chất của asen với Na có tính hoà tan rất cao Những muối của asen với Ca, Mg và các hợp chất asen hữu cơ trong môi trường pH gần trung tính, nghèo Ca có độ hoà tan kém hơn các hợp

Trang 6

chất hữu cơ, đặc biệt asen-axit fulvic rất bền vững có xu thế tăng theo độ pH và tỷ

lệ asen- axit fulvic Các hợp chất của As5+ hình thành theo phương thức này [9]

Công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễm không khí, nước bởi asen Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng cũng đã tạo ra nguồn ô nhiễm asen Việc khai thác ở các mỏ nguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua, làm gia tăng quá trình phong hoá, 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 đi vào trong môi trường Asenopyrit

bị phong hóa, dẫn đến hậu quả là một lượng lớn asen được đưa vào môi trường xung quanh, 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 Đó là những nguồn phát thải asen gây ô nhiễm nước, đất, không khí

Asen có thể kết hợp với một số nguyên tố tạo thành các hợp chất asen vô cơ như các khoáng vật, đá thiên thạch, reagal (AsS), orpiment (As2S3), arsenolite (As2O3), arsenopyrite (FeAs3, FeAsS, AsSb), vv… Hợp chất của asen với carbon

và hydro gọi là hợp chất asen hữu cơ Thường thì các dạng hợp chất hữu cơ của asen ít độc hại hơn so với các hợp chất asen vô cơ Hàm lượng asen trong một số loại khoáng đá phổ biến dao động nhiều Ví dụ: quặng sulphite, sulphate, quặng sắt, quặng sulphate luôn có hàm lượng asen cao Có loại như pyrite lên tới vài chục gam trong một kilogam Quặng oxit sắt cũng chứa nhiều asen

Asen có thể tồn tại ở 4 trạng thái oxi hoá: -3, 0, +3,+5 Trong nước tự nhiên, asen 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 asen trong nước bề mặt và As(III) là dạng chủ

yếu của asen trong nước ngầm Dạng As(V) hay các arsenate gồm AsO43-, HAsO42-, H2AsO4-, H4AsO4; còn dạng As(III) hay các arsenit gồm H3AsO3,

H2AsO3-, HAsO32- và AsO33- Asen còn tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hữu cơ như: metylasonic, đimetylasinic Các dạng tồn tại của asen trong nước phụ thuộc vào

pH và thế oxi hoá khử Eh của môi trường [1,5,22]

Trang 7

1.1.2 Độc tính của asen

Asen và nhiều hợp chất của nó là những chất độc cực 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 cạnh tranh với phốtphat

nó tháo bỏ phốtphorylat hóa ôxi hóa, vì thế ức chế quá trình khử NAD+ có liên quan tới năng lượng, hô hấp của ti thể và tổng hợp ATP Sản sinh của perôxít hiđrô cũng tăng lên, điều này có thể tạo thành các dạng ôxy hoạt hóa và sức căng ôxi hóa Các can thiệp trao đổi chất này dẫn tới cái chết từ hội chứng rối loạn chức năng đa cơ quan có lẽ từ cái chết tế bào do chết hoại, chứ không phải do chết tự nhiên của tế bào Khám nghiệm tử thi phát hiện màng nhầy màu đỏ gạch, do xuất huyết nghiêm trọng

Mức độ gây độc của asen tuỳ thuộc vào dạng (hữu cơ hay vô cơ) và trạng thái oxi hoá của asen Nhìn chung, asen vô cơ độc hơn nhiều so với asen hữu cơ,

và As(III) độc hơn so với As(V) Một số cơ quan trong cơ thể động vật bị ảnh hưởng bởi asen như: da, hệ hô hấp, hệ tuần hoàn, hệ miễn dịch, hệ thần kinh, cơ quan sinh sản, dạ dày, ruột Asen là tác nhân gây ra 19 loại bệnh khác nhau, trong

đó đặc biệt là bệnh ung thư da và ung thư phổi Mặt khác, asen còn ảnh hưởng đến thực vật như một chất cản trở trao đổi chất, làm giảm mạnh năng suất, đặc biệt trong môi trường thiếu photpho Độc tính của các hợp chất asen đối với sinh vật dưới nước tăng theo dãy: asin> asenit>asenat>hợp chất asen hữu cơ

Bệnh nhiễm độc Asen gọi là bệnh arsenicosis, là loại bệnh rất nguy hại đối với sức khoẻ của con ngời Các biểu hiện đầu tiên của việc nhiễm độc asen là chứng sạm da (melanosis), dầy biểu bì (keratosis), từ đó dẫn đến hoại da hay ung thư da

Cơ chế biến đổi sinh học của asen trong cơ thể người rất phức tạp, tuỳ theo từng hợp chất Hiện nay chưa có biện pháp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc asen

 Asen vô cơ

Asen vô cơ có thể phá huỷ các mô trong hệ hô hấp, trong gan và thận Nó tác động lên các enzim hoạt động đảm bảo cho quá trình hô hấp Các nghiên cứu đã

Trang 8

KẾT LUẬN

Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu biến tính quặng pyrolusite

bằng titan và sắt oxit, làm vật liệu hấp phụ, xử lý một số chất độc hại trong nước”, chúng tôi đã thu được một số kết quả chính sau:

1 Chứng minh được khả năng hấp phụ asen và amoni của pyrolusit tự nhiên Tải trọng hấp phụ cực đại lần lượt là 2.43 mg/g và 1.17 mg/g

2 Vật liệu được biến tính bằng cách phủ lớp oxit/hydroxit MnO2 và Fe(OH)3 lên bề mặt quặng giúp nâng cao tải trọng hấp phụ asen và amoni với tải trọng hấp phụ cực đại thu được lần lượt là 3.46 mg/g và 1.79 mg/g

3 Vật liệu được biến tính bằng cách thêm Ti4+ lên lớp phủ bề mặt quặng làm khả năng hấp phụ asen và amoni tốt hơn so với quặng tự nhiên và vật liệu biến tính M-1 do sự có mặt của Titan đã làm cho vật liệu M-2 có nhiểu tâm dương hấp phụ hơn, với tải trọng hấp phụ cực đại lần lượt là 4.67 mg/g và 2.97 mg/g

4 Tiến hành xử lý nước sông Kim Ngưu với vật liệu M-2 ta thu được kết quả: hàm lượng các ion amoni, nitrat và nitrit trong nước sông giảm đi đáng kể Đồng thời trong quá trình hấp phụ amoni của vật liệu còn có khả năng có sự chuyển hóa thành nitrat, nitrit và khí Nitơ

Các kết quả nghiên cứu trên đã thu được vật liệu hấp phụ asen, amoni có dung lượng khá cao và khả năng ứng dụng thực tiễn tốt Đây là tiền đề để trong thời gian tới chúng tôi khảo sát kỹ hơn về các yếu tố ảnh hưởng, cơ chế hấp phụ asen của vật liệu, cũng như triển khai chế tạo vật liệu hấp phụ phục vụ cho nhu cầu

xử lý asen và amoni của người dân

Trang 9

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt

1 PGS TS Vũ Ngọc Ban (2007), Giáo trình thực tập hóa lý, NXB Đại học quốc

gia Hà Nội

2 Lê Văn Cát (2007), Xử lý nước thải giàu hợp chất Nitơ và photpho, Nhà xuất bản

Khoa Học Tự Nhiên và Công Nghệ, Hà Nội

3 Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kỹ thuật xử lý nước và nước

thải, Nhà xuất bản Thống Kê, Hà Nội

4 Trần Hồng Côn, Đồng Kim Loan (2003), Bài giảng Độc học Môi trường, Khoa

Hóa học, trường ĐH Khoa học Tự Nhiên – ĐH Quốc gia Hà Nội

5 Nguyễn Tinh Dung (2003), “Phản ứng của các ion trong dung dịch nước”, Hóa

học phân tích, Phần 2, NXB Giáo dục, Hà Nội

6 Phạm Thị Hạnh, Phạm Văn Tình, Đinh Khắc Tùng (2010), “Điện phân MnO2 từ

quặng tự nhiên pyrolusit cho xử lý asen trong nước giếng khoan”,

Tạp chí Hóa Học, 48 (2C), tr 290 – 294

7 Nguyễn Ngọc Khánh (2010), Nghiên cứu xử lý các hợp chất asen và photphat

trong nguồn nước ô nhiễm với than hoạt tính cố đinh Zr(IV) Luận văn thạc

sĩ, Hóa môi trường, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội

8 Hoàng Nhâm (2002), Hóa học vô cơ, Tập 3, NXB Giáo dục, Hà Nội

9 Hoàng Nhâm (2002), Hóa học vô cơ, Tập 2, NXB Giáo dục, Hà Nội

10 Hà Minh Ngọc, Lê Thanh Sơn, Lại Thị Hà(2009), Nghiên cứu chế tạo vật liệu

hỗn hợp Fe(OH) 3 -MnO 2 để xử lí asen trong các nguồn nước, Khoa Hóa học,

trường ĐH Khoa học Tự Nhiên – ĐH Quốc gia Hà Nội

Tiếng Anh

11 Aylin SÖNMEZAY, M SALIM ÖNCEL, Nihal BEKTAŞ(2012), “Adsorption

of lead and cadmium ions from aqueous solutions using manganoxide

minerals”, Trans Nonferrous Met Soc China, 22, 3131−3139

12 Babloe Chander, Nguyen Thi Phuong Thao, Nguyen Quy Hoa (2004), “Random

Survey of Arsenic Contamination in Tubewell Water of 12 Provinces in

Trang 10

Vietnam and INitially Human Health Arsenic Risk Assessment through Food Chain”, Chương trình hội nghị khoa học - Trường ĐHKHTN chủ đề

“Những vấn đề Khoa học và Công nghệ liên quan đến ô nhiễm asen-hiện trạng, ảnh hưởng đến sức khoẻ và công nghệ xử lý”, Hà Nội

13 Dinesh Mohan, Charles U Pittman Jr (2007),“Arsenic removal from

water/wasterwater using adsorbents – A critical review”, Journal of Hazardous Materials, 142, pp 1-53

14 Fujishima Akira et al (1999) , “Study on the photocatalytic degradation of

insecticide methomyl in water”, Desalination, 262, pp 283-234

15 Fu- Shen Zhang, Hideaki Itoh (2006), “Iron oxide- loaded slag for arsenic

removal from aqueous system”, Chemosphere, Volume 60, pp 319- 325

16 Ghurye, Ganesh and Dennis Clifford (2001), “Laboratory Study on the

Oxidation of Arsenic III to Arsenic V EPA 600-R-01-021”, Prepared under contract 8C-R311-NAEX for EPA ORD, March 2001

17 Ioannis A Katsoyiannis, Anastasios I Zouboulis (2002), “Removal of Arsenic

from Contaminated Water Sourse by Sorption onto Iron-oxide-coated

Polymeric Materials”, Water Research, 36, 5141-5155

18 Monique Bissen, Fritz H Frimmel (2003), “ Oxidation of Arsenic and its

Removal in Water Treatment”, Acta hydrochimica et hydrobiologica ,

Volume 31, No2, pp 97-107

19.Tatineni Balaji , T.Yokoyama, Hideyuki Matsunaga (2005), “Adsorption

and removal of As(V) and As(III) using Zr-loaded lysine diacetic acid

chelating resin”, Chemosphere, 59, pp 1169–1174

20 The Society of Environmental Geochemistry and Health (SEGH) (1998), The

Proceeding of 3th International conference on arsenic exposure and health effects, California

21 Ting Liu, Kun Wuc, Lihua Zeng(2012), “Removal of phosphorus by a

composite metal oxide adsorbent derived from manganese ore tailings”, Journey of Hazardous Materials 217-218, pp.29-35

Trang 11

22 Virender K Sharma, Mary Sohn (2009), “Aquatic arsenic: Toxicity, speciation,

transformations, and remediation”, Environment International, 35, pp 743–

759

Định dạng
Số trang	11
Dung lượng	463,93 KB