Nghiên cứu quá trình khoáng hóa một số chất hữu cơ gây ô nhiễm khó phân hủy (POP) bằng bột sắt nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- TRẦN TRỌNG TUYỀN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH KHOÁNG HÓA MỘT SỐ CHẤT HỮU CƠ GÂY Ô NHIỄM KHÓ PHÂN HỦY POP BẰNG BỘT SẮT NANO LUẬN V

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

TRẦN TRỌNG TUYỀN

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH KHOÁNG HÓA MỘT SỐ CHẤT HỮU CƠ GÂY Ô NHIỄM KHÓ PHÂN HỦY (POP) BẰNG BỘT SẮT NANO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌCKHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

TRẦN TRỌNG TUYỀN

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH KHOÁNG HÓA MỘT SỐ CHẤT HỮU CƠ GÂY Ô NHIỄM KHÓ PHÂN HỦY (POP) BẰNG BỘT SẮT NANO

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý

Mã số: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS LÊ XUÂN QUẾ PGS.TS CAO THẾ HÀ

Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy cô trong khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình dạy dỗ em trong quá trình học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Xuân Quế và PGS.TS Cao Thế Hà, những người Thầy đã định hướng, động viên, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các anh chị phòng ăn mòn và bảo vệ kim loại – Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp

đỡ em rất nhiều trong thời gian làm luận văn tại đây

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, gia đình và những người thân đã luôn động viên và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Trần Trọng Tuyền

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG……… iii

DANH MỤC CÁC HÌNH……….v

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT……… vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined

1.1 Phân loại thuốc bảo vệ thực vật Error! Bookmark not defined

1.1.1 Phân loại theo mục đích sử dụng Error! Bookmark not defined

1.1.2 Phân loại theo nguồn gốc sản xuất và cấu trúc hoá họcError! Bookmark not

defined

1.1.3 Phân loại nhóm độc theo tổ chức Y tế thế giới (TCYTTG) Error! Bookmark

not defined

1.1.4 Phân loại theo độ bền khó phân hủy Error! Bookmark not defined

1.1.5 Các dạng thuốc BVTV Error! Bookmark not defined

1.2 Hợp chất hữu cơ khó phân hủy Error! Bookmark not defined

1.2.1 Hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POP) Error! Bookmark not defined

1.2.2 Thực trạng ô nhiễm POP Error! Bookmark not defined

1.2.3 Xử lý POP tại Việt Nam và trên thế giới Error! Bookmark not defined

1.2.4 Các phương pháp xử lý POP Error! Bookmark not defined

1.3 Sắt nano Error! Bookmark not defined

1.3.1 Đặc điểm cấu tạo của Fe(0) Error! Bookmark not defined

1.3.2 Các phương pháp chế tạo Fe(0) Error! Bookmark not defined

1.3.3 Ưu điểm của Fe(0) trong xử lý môi trường Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUError! Bookmark not defined 2.1 Thực nghiệm Error! Bookmark not defined

2.1.1 Hóa chất, dụng cụ Error! Bookmark not defined

2.1.2 Tiến hành thực nghiệm Error! Bookmark not defined

2.2 Các phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined

2.2.1 Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) Error! Bookmark not defined

2.2.2 Phương pháp HPLC Error! Bookmark not defined

2.2.3 Phương pháp khử POP bằng bột sắt nano Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined

ii

3.1 Nghiên cứu quá trình tách POP từ đất Error! Bookmark not defined 3.1.1 Phân tích hàm lượng POP tổng trong mẫu đất Error! Bookmark not defined 3.1.2 Chiết rửa bằng dung môi nước với phụ gia QH3 Error! Bookmark not defined

3.1.3 Hiệu suất chiết rửa đất Error! Bookmark not defined 3.2 Tính toán năng lượng cho quá trình phân hủy POP Error! Bookmark not defined

3.3 Khảo sát điện hóa đến quá trình phân hủy POP Error! Bookmark not defined 3.3.1 Khảo sát điện hóa của các pH khác nhau Error! Bookmark not defined 3.3.2 Nghiên cứu điện hóa cho quá trình phân hủy DDT tách chiết từ đất Error! Bookmark not defined

3.4 Khử POP bằng bột sắt nano Error! Bookmark not defined 3.4.1 Phân hủy POP trong dịch chiết rửa Error! Bookmark not defined 3.4.2 Phân hủy POP hấp thu trong bột polyanilin Error! Bookmark not defined 3.4.3 Cơ chế phân hủy POP bằng RF1.1 Error! Bookmark not defined 3.4.6 Ứng dụng qui mô nhỏ Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 3

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại nhóm độc theo TCYTTG……….4

Bảng 2.1 Thời gian quá trình làm thực nghiệm Error! Bookmark not defined

Bảng 3.1 Kết quả phân tích độ ẩm và hàm lượng POP tổngError! Bookmark not defined

Bảng 3.2 Kết quả phân tích hàm lượng DDT (theo đơn vị ppb) trong các mẫu thu

được Error! Bookmark not defined

Bảng 3.3 Hàm lượng DDT (theo đơn vị ppb) thu được sau lần chiết 1

ở các nồng độ khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 3.4 Hàm lượng DDT (theo đơn vị ppb) thu được sau lần chiết 2 ở các nồng độ

khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 3.5 Hàm lượng DDT (theo đơn vị ppb) thu được sau lần chiết 3 ở các nồng độ

khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 3.6 Hợp phần DDE trong cả quá trình chiết ở các điều kiện khác nhauError! Bookmark not defined Bảng 3.7 Hợp phần DDD (theo đơn vị ppb) trong cả quá trình chiết ở các điều kiện

khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 3.8 Hợp phần op-DDT (theo đơn vị ppb) trong cả quá trình chiết ở các điều

kiện khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 3.9 Hợp phần DDE (theo đơn vị ppb) thu được khi thay đổi nồng độ chất

HĐBM ở các lần chiết khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 3.10 Hợp phần DDD (theo đơn vị ppb) thu được khi thay đổi nồng độ chất

HĐBM ở các lần chiết khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 3.11 Hợp phần op-DDT (theo đơn vị ppb) thu được khi thay đổi nồng độ chất

HĐBM ở các lần chiết khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 3.12 Hàm lượng DDT (theo đơn vị ppb) tổng cộng thu được khi thay đổi nồng

độ chất HĐBM ở các lần chiết khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 3.13 Hàm lượng các chất DDT (theo đơn vị ppb) thu được ở nồng độ 2.5%

QH3 Error! Bookmark not defined

Bảng 3.14 Hàm lượng các chất DDT (theo đơn vị ppb) thu được ở nồng độ 10%

QH3 Error! Bookmark not defined

Bảng 3.15 Hàm lượng các chất DDT (theo đơn vị ppb) thu được ở nồng độ 15%

QH3 Error! Bookmark not defined

iv

Bảng 3.16 Hàm lượng DDT (theo đơn vị ppb) tổng cộng thu được trong cả quá trình

chiết Error! Bookmark not defined

Bảng 3.17 Kết quả phân tích mẫu đất sau khi chiết rửa bằng dung môi E1.1, qui ra

mg/kg (ppm) Error! Bookmark not defined

Bảng 3.18 Hiệu suất chiết rửa DDT cho cả quá trình Error! Bookmark not defined

Bảng 3.19 Sự biến đổi của mật độ dòng (J) theo pH, chu kì và điện thế (E)Error! Bookmark not defined Bảng 3.20 Sự biến đổi của mật độ dòng (J) theo số chu kì quét tại điện thếError! Bookmark not defined

S1 Error! Bookmark not defined

Bảng 3.22 Sự biến đổi của mật độ dòng (J) theo số chu kì quét tại các điện thế (E)

khác nhau của S2 Error! Bookmark not defined

và S2 Error! Bookmark not defined

và S2 Error! Bookmark not defined

Bảng 3.25 Kết quả phân tích mẫu nước sau khi khử phân hủy POP bẳng chất RF1.1,

dung môi chiết là E0.0 và E1.1, qui ra mg/kg (ppm)Error! Bookmark not defined

Bảng 3.26 Kết quả phân tích POP khử bằng RF1.1 sau khi được hấp thu trong bột

polyanilin dung môi E0.0 và E1.1, qui ra mg/kg (ppm)Error! Bookmark not defined

Bảng 3.27 Kết quả phân tích POP tổng của các mẫu thí nghiệmError! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Cột sắc ký dùng để tách chiết trong thực nghiệm Error! Bookmark not defined

Hình 2.2 Đồ thị quét thế vòng cyclicvoltametry Error! Bookmark not defined

Hình 2.3 Quan hệ giữa dòng – điện thế trong quét thế tuần hoàn CVError! Bookmark not defined

Hình 3.1 Giản đồ sắc kí mẫu dịch chiết sau khi rửa đất 48

Hình 3.2 Sự hình thành các gốc từ phân tử DDT với các biến thiênError! Bookmark not defined.9

Hình 3.3 Sự biến đổi năng lượng của quá trình hình thành các sản phẩm trung gianError! Bookmark not defined.0 Hình 3.4 Sự hình thành các sản phẩm trung gian từ DDT, DDD, DDE.Error! Bookmark not defined.0

Hình 3.5 Chu kì 1 đến chu kì 5 của các giá trị pH = 5, 7 và 9 ở tốc độ quét 50mV/sError! Bookmark not defined.1 Hình 3.6 Chu kì 1, 3 và 5 của các pH = 5, 7 và 9 ở tốc độ quét 50mV/sError! Bookmark not defined.3

Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của chu kì quét, pH đến điện tích Q………65

Hình 3.8 Phổ CV của S0 và quá trình phân hủy DDT của S1 66

Hình 3.9 Phổ CV ở chu kì 1, 2 và 5 của S0 và S1 Error! Bookmark not defined.7

Hình 3.10 Phổ CV của quá trình phân hủy DDT của S2 69

Hình 3.11 Phổ CV ở chu kì 1, 2 và 5 của S0 và quá trình phân hủy DDT trong S2Error! Bookmark not defined.1

Hình 3.12 Chu kì 1 phổ CV của DDT có trong S1 và S2 Error! Bookmark not defined.3

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của chu kì, sự phân hủy DDT đến điện tích

(Q) của S1 và S2 Error! Bookmark not defined.5

Hình 3.14 Vai trò của hạt sắt kim loại trong phản ứng khử chất hữu cơ cloError! Bookmark not defined.7

vi

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT

2,4-D 2,4,- dichlorophenoxyacetic acid

DDD Dichlorodiphenyldichloroethan

DDE Dichlorodiphenyldichloroethylen

DDT 1,1,1-trichloro-2,2-bis (4-chlorophenyl) ethan

HCH Hexacyclohexan

PBBS Hexabromobiphenyl

PCB Polychlorinated Biphenyls

PCDDs Đibenzo dioxins poly clo hóa

PCDFs Đibenzofurans đã poly clo hóa

PECB Pentachlorobenzen

PFOS Axit Perfluorooctanesulfonic

POP Persistent Organic Pollutant

POSF Perfluorooctanesulfonyl florua

IARC International Agency for Research on Cancer TCYTTG Tổ chức y tế Thế giới

TN&MT Tài nguyên và môi trường

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thuốc bảo vệ thực vật đóng vai trò quan trọng trong nền sản xuất nông nghiệp ở nước ta và các nước trên thế giới, nhất là trong trồng cây lương thực, rau màu… để phòng trừ các loại sâu bệnh, chuột, cỏ dại… nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế góp phần tăng năng suất, tăng mùa vụ, thay đổi cơ cấu cây trồng…

Tuy nhiên, nếu con người thiếu những hiểu biết về việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật thì nó sẽ để lại tác dụng phụ ảnh hưởng đến môi trường sinh thái, sản phẩm nông nghiệp, đặc biệt là ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người

Sự tồn dư gây ô nhiễm của một số chất hữu cơ độc hại, bền khó phân hủy, được kí hiệu là POP (Persistent Organic Pollutant), là một vấn đề bức xúc, tồn tại hàng chục năm ở trên 1000 điểm nóng, với hàng loạt hệ lụy, gây nhiễm độc, ung thư Vấn đề xử lý chất POP được nhà nước hết sức coi trọng, các nước và tổ chức quốc tế quan tâm

Ô nhiễm POP tồn dư chủ yếu là từ các kho chứa, bãi tập kết, sau đó lan truyền trong đất và nguồn nước Vấn đề cấp thiết là làm sạch đất bị nhiễm POP, hoàn nguyên đất trở lại trạng thái tự nhiên để sử dụng (trong nông nghiệp, khu dân

cư …) POP tách ra phải được thu hồi – phân hủy triệt để Tuy nhiên cho đến nay việc xử lý, phân hủy các chất độc hại tồn dư nêu trên vẫn luôn là yêu cầu cấp thiết,

do chưa có giải pháp phù hợp, chưa có công nghệ khả thi hiệu quả, và nguồn nhân lực có kỹ thuật

Đã có một số đề tài, công trình nghiên cứu về vấn đề này Cho đến nay giải pháp rửa đất (washing POP contaminated soil) được cho là có hiệu quả cao Công nghệ rửa đất gồm hai giai đoạn chính: 1- rửa sạch các chất POP và hoàn nguyên đất, 2- Thu gom và phân hủy các chất POP sau khi được tách rửa từ đất Đề tài luận văn

“Nghiên cứu quá trình khoáng hóa một số chất hữu cơ gây ô nhiễm khó phân

hủy (POP) bằng bột sắt nano” là một nội dung nghiên cứu góp phần thực hiện giai

đoạn hai của công nghệ rửa đất ô nhiễm

2

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu quá trình khoáng hóa một số chất hữu cơ ô nhiễm khó phân hủy POP

3 Nội dung nghiên cứu

- Phân tích xác định hàm lượng chất POP

- Nghiên cứu tách chiết DDT từ đất

- Xử lý đất ô nhiễm thuốc BVTV khó phân hủy (POP) bằng phụ gia QH3

- Khử các hợp chất POP bằng bột sắt nano

4 Đối tượng nghiên cứu

- Mẫu đất tại các khu vực ô nhiễm BVTV khó phân hủy (POP)

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp đo điện hóa

- Phương pháp tính toán lượng tử

- Nghiên cứu tách chiết DDT từ đất

- Phương pháp khử POP bằng bột sắt nano

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1 Lê Thị Cẩm Duyên, Trần Văn Thanh, Lê Thanh Hải (2007), Đánh giá hiện

trạng và đề xuất giải pháp giảm thiểu sự phát thải hợp chất ô nhiễm hữu cơ bền (POPs) từ các lò đốt chất thải rắn tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh,

tr 8 – 19

2 Lê Đức (2011), Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí DDT tồn lưu trong

môi trường đất và nước bằng sắt nano, Luận văn Thạc sĩ, Trường Khoa học

Tự nhiên, Khoa môi trường

3 Nguyễn Xuân Huân (2011), Nghiên cứu thử nghiệm vật liệu sắt nano để xử lý

diclodiphenyltricloetan (DDT) trong đất ô nhiễm tại kho Hương Vân, xã Lạc Vệ, huyện Tiên Du, tỉnh Bắc Ninh, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học

Khoa học Tự nhiên, Khoa môi trường

4 Trương Ngọc Liên (2000), Điện hóa lí thuyết, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ

thuật, Hà Nội

5 Phan Hiền Lương (2012), Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC),

Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm TP Hồ Chí Minh

6 Nguyễn Thị Nhung, Hoàng Hưng (2007), Nghiên cứu hiện trạng các hợp chất ô

nhiễm hữu cơ bền POPs phát thải ở nghành sản xuất và tái chế nhựa tại

khu vực TP.HCM, tr.18 - 28

7 Nguyễn Thị Nhung, Nguyễn Thị Kim Thường (2007), Nghiên cứu tổng hợp

Nano sắt bằng phương pháp hoá học, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa

học Tự nhiên và Công nghệ , 23: tr 253 – 256

8 Nguyễn Trần Oánh (Chủ biên), Nguyễn Văn Viên, Bùi Trọng Thủy (2007),

Giáo trình sử dụng thuốc bảo vệ thực vật

9 Trịnh Xuân Sén (2004), Điện hóa học, NXB Đại học quốc gia Hà Nội

4

10 Bùi Minh Thái (2011), Nghiên cứu điều kiện phân tích các sulfamit bằng

phương pháp sắc ký, Luận văn thạc sĩ hóa phân tích, Trường Đại học Khoa

học Tự nhiên

11 Trần Quang Thiện (2011), Tổng hợp và nghiên cứu tính chất điện hóa của vật

liệu lai ghép oxit vô cơ với polime dẫn TiO2PANi, Luận văn Thạc sĩ,

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, tr.12 -13

12 Lê Quốc Trung (2011) , Nghiên cứu động học quá trình chuyển hóa bằng sắt,

kẽm hóa trị không với 2, 4,6 – trinitrotoluene và 2,4,6-trinitroesorxin, Luận

án tiến sĩ, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, tr.35 – 38

13 Trung tâm công nghệ xử lý môi trường, Bộ Tư lệnh Hóa học (2005), Dự án xử

lý, tiêu huỷ lượng thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng, quá hạn sử dụng và cấm

lưu hành ở Việt Nam

14 Ngô Đức Tùng (2010), Nghiên cứu hình thái cấu trúc và đặc tính điện hóa của

polyaniline tổng hợp bằng con đường điện hóa, Luận văn thạc sĩ, Trường

Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên, tr 34 - 36

Tiếng Anh

15 Du, H Y (2008), Controlled platinum nanoparticles uniformly dispersed on

nitrogen-doped carbon nanotubes for methanol oxidation, Diamond and

Related Material, 17, pp 535-541

16 Emma L Tilston, Chris D Collins, Geoffrey R Mitchell, Jessica Princivalle,

Liz J Shawa (2013), Nanoscale zerovalent iron alters soil bacterial

community structure and inhibits chloroaromatic biodegradation potential

in Aroclor 1242-contaminated soil, Environmental Pollution 173, pp 38-46

17 L Ritter, K.R Solomon, J Forget, and M Stemeroff and C.O'Leary (2013),

PERSISTENT ORGANIC POLLUTANTS, The International Programme on

Chemical Safety (IPCS), 620 Gordon Street Guelph ON Canada

18 Li X., Daniel W.E., and Zhang W (2006), Zero-valent iron nanoparticles for

Abatement of Environmental Pollutants:Materials and Engineering