Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hệ mno2 fe3o4 sio2 ứng dụng xử lý một số ion kim loại fe3+, mn2+ và as3+ trong nước ngầm thành nước sinh hoạt ở bình định

Kết quả kiểm định xác định: Chì đo được là 0,74 mg/l, trong khi giới hạn cho phép tối đa là 0,1 mg/l, nên đã vượt tiêu chuẩn cho phép về chất lượng nước mặt vượt 7,4 lần; Kết quả nghiên

Trang 1

Học viên: Trần Quí Dương Trang a

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Tiến sỹ Nguyễn Văn Xá – Viện Kỹ thuật Hóa học – Đại học bách khoa Hà Nội đã dành rất nhiều thời gian

và tâm huyết hướng dẫn và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Trong quá trình học tập, không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều của các thầy cô, gia đình và bạn bè Vì vậy, suốt thời gian học tập tại trường, tôi đã nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của Quý thầy, cô Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gởi đến Quý thầy, cô đang giảng dạy tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hệ MnO2/Fe3O4/SiO2 ứng dụng xử lý một số ion kim loại: Fe3+, Mn2+ và As3+ trong nước ngầm thành nước sinh hoạt ở Bình Định” Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sỹ Nguyễn Văn Xá đã tận tình chu đáo hướng dẫn tôi thực hiện khóa luận này Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất Song trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu cũng không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để khóa luận được hoàn chỉnh hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Trần Quí Dương

Trang 2

Học viên: Trần Quí Dương Trang b

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi Các kết quả nghiên cứu trong luận văn hoàn toàn trung thực, các số liệu, tính toán được là hoàn toàn chính xác và chưa được công bố trong bất kỳ các công trình nghiên cứu nào

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Trần Quí Dương

Trang 3

Học viên: Trần Quí Dương Trang c

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN a LỜI CAM ĐOAN b MỤC LỤC c DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU g DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ h

LỜI MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 4

3 Phương pháp nghiên cứu 4

4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 4

4.1 Đối tượng nghiên cứu 4

4.2 Phạm vi nghiên cứu 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 5

1.1 Tài nguyên nước và sự ô nhiễm trong nước 5

1.1.1 Vai trò của nước 5

1.1.2 Tài nguyên nước [1, 8] 6

1.1.3 Tầm quan trọng của nguồn nước ngầm 7

1.1.4 Hiện trạng nước ngầm tại Bình Định 7

1.1.5 Sự ô nhiễm môi trường nước [2] 10

1.2 Chì và tác hại của chì (Pb) [1, 5] 11

1.3 Asen và tác hại của asen (As) [2] 12

1.4 Tác hại của sắt (Fe) và mangan (Mn) [10] 15

1.5 Một số phương pháp xử lý nước bị ô nhiễm bởi kim loại 15

1.5.1 Phương pháp kết tủa hydroxyt [1, 13] 16

1.5.2 Phương pháp đông tụ và keo tụ [2, 8, 13] 16

1.5.3 Phương pháp thẩm thấu ngược [2, 7] 17

1.5.4 Phương pháp trao đổi ion [2,7] 18

Trang 4

Học viên: Trần Quí Dương Trang d

1.5.5 Phương pháp hấp phụ [2, 3, 7] 19

1.6 Vật liệu nano 26

1.6.1 Hóa học nano[11] 27

1.6.2 Ứng dụng của công nghệ nano[21] 28

1.6.3 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano 30

1.6.3.1 Phương pháp điều chế từ trên xuống 30

1.6.3.2 Phương pháp điều chế từ dưới lên 31

1.7 Nguồn nguyên liệu 32

1.7.1 Nguyên liệu Mn 32

1.7.2 Nguyên liệu sắt 33

1.7.3 Axit citric 35

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM 37

2.1 Dụng cụ, hóa chất 37

2.2 Phương pháp nghiên cứu [2] 37

2.2.1 Phương pháp cơ học (mechanical) 37

2.2.2 Phương pháp hóa ướt (wet chemical) 37

2.2.2.1 Phương pháp sol-gel 38

2.2.2.2 Phương pháp kết tủa 38

2.2.2.3 Phương pháp thủy nhiệt 39

2.2.3 Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase) 40

2.2.4 Phương pháp tổng hợp đốt cháy 40

2.3 Các phương pháp xác định 46

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

3.1 Nghiên cứu các điều kiện tối ưu để tổng hợp vật liệu nano oxit mangan và oxit sắt 47

3.1.1 Nghiên cứu tỉ lệ mol của mangan, sắt và axit citric (ACT) 47

3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH 48

Trang 5

Học viên: Trần Quí Dương Trang e

3.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung 49

3.1.4 Xác định hình thái học và cấu trúc nano của hạt vật liệu oxit mangan và oxit sắt 53

3.1.5 Điều chế oxit mangan và oxit sắt có kích thước nanomet trên nền chất mang silicat 54

3.1.6 Đánh giá khả năng hấp phụ của oxit mangan và oxit sắt có kích thước nanomet trên nền chất mang Silicat theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir 59

3.1.6.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tách kim loại 59

3.1.6.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tách chì (Pb) 59

3.1.6.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tách asen (As) 61

3.1.6.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tách sắt (Fe) 62

3.1.6.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tách Mangan (Mn) 63

3.1.6.2 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu theo mô hình hấp phụ Langmuir 64

3.1.6.2.1 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ chì (Pb) của vật liệu theo mô hình hấp phụ Langmuir 64

3.1.6.2.2 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ chì (As) của vật liệu theo mô hình hấp phụ Langmuir 65

3.1.6.2.3 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Sắt (Fe) của vật liệu theo mô hình hấp phụ Langmuir 67

3.1.6.2.4 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Mangan (Mn) của vật liệu theo mô hình hấp phụ Langmuir 68

3.1.7 Kết quả xác định một số thông số cơ lý của vật liệu 70

3.2 Đánh giá khả năng xử lý kim loại ra khỏi dung dịch bằng phương pháp hấp phụ động trên cột và giải hấp, thu hồi vật liệu 71

3.2.1 Đánh giá khả năng xử lý kim loại có trong dung dịch nước của vật liệu 71

3.2.2 Kết quả quá trình giải hấp, thu hồi ion kim loại 72

KẾT LUẬN 74

Trang 6

Học viên: Trần Quí Dương Trang f

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

VLHP: Vật liệu hấp phụ

PC 49: Cảnh sát Môi trường

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

QCVN: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

ATP: Adenosine triphosphate

NAD: Nicotinamide adenine dinucleotide

IARC: Quốc tế cơ quan nghiên cứu ung thư

EU: Liên minh các nước Châu Âu

WHO: Tổ chức y tế thế giới

PAC: Poly Aluminium Chloride

CTAB: Cetyl trimetyl amoni bromua

SDS: Natri dodecyl sunfat

EDA: Etylen diamin

CS: Combustion Synthesis – Tổng hợp bốc cháy

SHS: Self Propagating High Temperature Synthesis Process ACT: Axit citric

SPM: Kính hiển vi đầu dò quét

AFM: Kính hiển vi nguyên tử lực

XRD: Nhiễu xạ tia X

IR: Tia hồng ngoại

SEM: Chụp ảnh hiển vi điện tử quét

UV-Vis: Quang phổ hấp thụ phân tử

Trang 7

Học viên: Trần Quí Dương Trang g

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Chất lượng nước ngầm tại Bình Định (xã Tam Quan, huyện Hoài Nhơn) 9

Bảng 2.1 Một số oxit nano tổng hợp bằng phương pháp kết tủa 39

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Pb2+ lên vật liệu 60

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ As3+ lên vật liệu 61

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Fe3+ lên vật liệu 62

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Mn2+ lên vật liệu 63

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ (q) vào nồng độ cân bằng Cf đối với Pb2+ 64

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ (q) vào nồng độ cân bằng Cf đối với As3+ 65

Bảng 3.7 Kết quả khảo sát sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ (q) vào nồng độ cân bằng Cf đối với Fe3+ 67

Bảng 3.8 Kết quả khảo sát sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ (q) vào nồng độ cân bằng Cf đối với Mn2+ 69

Bảng 3.9 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại trước và sau khi xử lý 72

Trang 8

Học viên: Trần Quí Dương Trang h

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 22

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf 22

Hình 1.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 23

Hình 1.4 Sự phụ thuộc lgq vào lgC 23

Hình 1.5 Sơ đồ phân chia các vùng khi tiến hành quá trình hấp phụ 25

Hình 2.1 Qui trình tổng hợp vật liệu nano oxit mangan và oxit sắt trên nền silicat 43

Hình 2.2.a Dung dịch ban đầu 44

Hình 2.2.b Dung dịch sau khi gia nhiệt 2 giờ 44

Hình 2.2.c Dịch keo sau khi gia nhiệt 4 giờ 44

Hình 2.2.d Mẫu bắt đầu cho cát vào 45

Hình 2.2.e Mẫu sau khi nung có trộn cát 45

Hình 2.2.f Mẫu sau khi nung không trộn cát 45

Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của các mẫu điều chế từ gel với tỉ lệ (Mn/Fe)/ACT = (1/1)/2; (2/1)/3; (1/1)/3; (2/1)/2; (1/2)/3 nung ở 5000C 47

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu điều chế từ gel ở pH = 2, 3, 4, 5, 6 48

Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của các mẫu nung ở nhiệt độ 3000C, 4000C, 5000C, 6000C 49

Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nung ở nhiệt độ 3000C 50

Hình 3.5 Phổ tử ngoại của Mn(II), ACT và Mn(II)-ACT 51

Hình 3.9 Hình thái học và cấu trúc nano của hạt vật liệu 54

Hình 3.10.a Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu C0 55

Hình 3.10.b Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu C20 56

Trang 9

Học viên: Trần Quí Dương Trang i

Hình 3.10.c Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu C30 56

Hình 3.11 Ảnh vi cấu trúc và hình thái học của cát thạch anh trước khi tẩm 58

Hình 3.12 Ảnh vi cấu trúc và hình thái học của cát thạch anh sau khi tẩm 58

Hình 3.13 Khả năng hấp phụ chì (Pb) của vật liệu theo thời gian 60

Hình 3.14 Khả năng hấp phụ asen (As) của vật liệu theo thời gian 61

Hình 3.15 Khả năng hấp phụ Sắt (Fe) của vật liệu theo thời gian 62

Hình 3.16 Khả năng hấp phụ Mangan (Mn) của vật liệu theo thời gian 63

Hình 3.17 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Pb(II) 65

Hình 3.18 Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(III) 66

Hình 3.19 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) 68

Hình 3.20 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) 70

Hình 3.21 Mô hình cột tách kim loại ra khỏi nước 71

Trang 10

Học viên: Trần Quí Dương Trang 1

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển về kinh tế và tiến bộ về khoa học kỹ thuật thì vấn đề về ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường nước nói riêng

đã và đang là một trong những điểm nóng, đáng lo ngại của toàn nhân loại, đòi hỏi

cả thế giới phải quan tâm và có biện pháp khắc phục Bởi vì, đi kèm với sự phát triển đáng mừng đó thì các nguồn chất thải như: Rác thải, nước thải, khí thải của người dân và các nhà máy công nghiệp cũng tăng theo một cách tỷ lệ thuận Trong khi các nguồn chất thải này lại chứa đựng rất nhiều chất độc hại mà chưa được xử lý hoặc mới xử lý sơ bộ Từ đó, nó đi vào cống, rãnh, sông, hồ, …và làm ô nhiễm các nguồn nước Đây chính là nguyên nhân chủ yếu và quan trọng trong việc gây ra ô nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường nước

Hiến chương châu Âu về nước đã định nghĩa:

“Ô nhiễm nước là sự biến đổi nói chung do con người đối với chất lượng nước, làm nhiễm bẩn nước và gây nguy hiểm cho con người, cho công nghiệp, nông nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi, giải trí, cho động vật nuôi và các loài hoang dã.’’

Ô nhiễm môi trường nước không chỉ là vấn đề lo ngại đối với các nước phát triển mà còn là sự thách thức đối với các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam Trên thực tế, nguồn nước sạch ngày càng khan hiếm và không đáp ứng đủ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày cũng như trong sản xuất của con người Trong khi đó, nguồn nước bị ô nhiễm ngày càng tăng cao, mức độ ô nhiễm ngày càng nặng Ngoài những nguyên nhân gây ra sự ô nhiễm ở môi trường nước mà ta đã nêu trên thì cũng còn một số nguyên nhân khá quan trọng khác như: Hậu quả do chiến tranh để lại (chất độc màu da cam), sự tồn tại của các kim loại nặng: Pb, Cu, Zn, Fe, Cd, Mn,

As, …trong mạch nước ngầm Đặc biệt là kim loại chì (Pb) và asen (As)

Hiện nay ở Việt Nam, tình hình ô nhiễm chì (Pb) trong nguồn nước cũng đang là một vấn đề đáng lo ngại Cụ thể, theo kết quả phân tích kiểm định môi trường của Phòng Cảnh sát Môi trường (PC 49), Công an tỉnh Yên Bái cho

Trang 11

thấy, nước sông Hồng chảy qua địa phận tỉnh Yên Bái đã bị nhiễm chì nghiêm trọng Kết quả kiểm định xác định: Chì đo được là 0,74 mg/l, trong khi giới hạn cho phép tối đa là 0,1 mg/l, nên đã vượt tiêu chuẩn cho phép về chất lượng nước mặt (vượt 7,4 lần); Kết quả nghiên cứu về chất lượng nước ngầm ở TP HCM của Đại học Quốc gia thành phố cho thấy: Tại khu vực Bình Mỹ (Củ Chi), bãi rác Đông Thạnh nguồn nước ngầm cũng bị nhiễm chì ở nồng độ cao; …

Trong khi đó, những năm gần đây, ô nhiễm kim loại nặng đặc biệt là Asen đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Phần lớn sự nhiễm độc Asen thông qua việc sử dụng nguồn nước, lương thực, thực phẩm ở những vùng đất, đất, không khí nhiễm asen Các triệu trứng của nhiễm độc asen bao gồm sự thay đổi màu da, hình thành của các vết cứng trên da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận và bàng quang cũng như có thể dẫn tới hoại tử

Hiện nay ở các vùng nông thôn Việt Nam phần lớn vẫn sử dụng nước ngầm trong sinh hoạt Tuy nhiên nguồn nước ngầm của một sốvùng cũng phải đối mặt với vấn đề rất đáng lo ngại về ô nhiễm asen Theo thống kê chưa đầy đủ, hiện Việt Nam

có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan có nồng độ Asen trong nước ngầm cao hơn từ 20 – 50 lần theo tiêu chuẩn của Bộ Y tế(10 µg L-1) [11] Những nghiên cứu gần đây cho thấy nước ngầm ở vùng đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long

có hàm lượng Asen khá cao, nhiều nơi vượt qua tiêu chuẩn cho phép đối với nước uống Những tỉnh được phát hiện nước ngầm có hàm lượng asen cao gồm Hà Nội, Phú Thọ, Đồng Tháp, Kiên Giang, Long An [4] Trong khi đó, hiện trạng ô nhiễm asen tại một số vùng nông thôn đồng bằng sông Hồng tương đối cao, vượt tiêu chuẩn cho phép đến 40 lần

Trong khi đó, tại tỉnh Bình Định, tài nguyên nước dưới đất có những thay đổi bất lợi, với nguy cơ thấp trong trung hạn Tuy nhiên, những thay đổi này diễn ra với tốc độ chậm nên nếu tiếp diễn cũng sẽ chưa gây phương hại tới các loại hình sử dụng nước hiện tại (như ăn uống sinh hoạt, tưới tiêu, công nghiệp…) trong vòng 10-

15 năm tới

Trang 12

Vậy đâu là giải pháp cho vấn đề ô nhiễm nước nói chung và ô nhiễm kim loại nói riêng tại Việt Nam? Để khắc phục và hạn chế tình trạng ô nhiễm nước hiện nay thì các nhà khoa học đã và đang nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu và đưa vào thị trường một số sản phẩm nhằm xử lý các kim loại nặng như: Vật liệu đá ong, nguyên liệu khoáng tự nhiên bazan, đá ong, đất sét đỏ, hay vật liệu nano oxit sắt từ, nano mangan oxit được mang trên silicat, [2]

Ngoài yếu tố hiệu quả, năng suất xử lý và độ tin cậy của công nghệ hay vật liệu, còn cần đòi hỏi giá thành vật liệu phải phù hợp

Đặt trước thách thức đó thì việc tìm nguồn nguyên liệu dồi dào, dễ kiếm từ

tự nhiên để tổng hợp nên vật liệu là ý tưởng có tính khả thi Cụ thể, ở Việt Nam có trữ lượng mangan, sắt trong tự nhiên rất lớn với sản lượng khai thác khổng lồ và nguồn cát thạch anh không phải tìm kiếm đâu xa mà ngay trên địa bàn tỉnh Bình Định và tỉnh lân cận

Mặt khác, với sự ra đời và phát triển không ngừng của ngành khoa học vật liệu mới, trong đó có ngành vật liệu nano Sản phẩm của vật liệu nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như: Y học, sinh học, năng lượng Đặc biệt trong lĩnh vực xử lý môi trường như: Xử lý môi trường khí, môi trường nước bị ô nhiễm

Hiện nay, có rất nhiều vật liệu nano được ứng dụng để xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng Xuất phát từ những cơ sở nói trên, tôi đã lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hệ MnO 2 /Fe 3 O 4 /SiO 2 ứng dụng xử lý một số ion kim loại: Fe 3+ , Mn 2+ và As 3+ trong nước ngầm thành nước sinh hoạt ở Bình

Định”

Trang 13

2 Mục tiêu đề tài

- Chế tạo một số vật liệu hấp phụ kim loại nặng đặc biệt là kim loại chì có hiệu quả cao từ nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương, giá thành rẻ và phù hợp với đặc điểm nguồn nước ô nhiễm tại các địa phương nghiên cứu

- Ứng dụng vật liệu chế tạo được để xử lý chì, asen, sắt và mangan trong nước

3 Phương pháp nghiên cứu

- Tổng hợp vật liệu nano oxit mangan và oxit sắt trên nền chất mang cát thạch anh bằng phương pháp bốc hơi nhanh, phương pháp kết tủa, và nhiệt phân gel của axit citric, mangan nitrat, và sắt (III) clorua

- Xác định các đặc trưng hoá lý của vật liệu bằng các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hồng ngoại (IR), chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)

- Hàm lượng kim loại chì, asen, sắt và mangan trong nước được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis), phương pháp von ampe hòa tan, phương pháp ICP-MS hoặc các phương pháp phân tích hoá học khác

4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

- Chế tạo vật liệu nano oxit mangan và oxit sắt trên chất nền cát thạch anh 4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Dùng vật liệu để xử lý một số mẫu nước bị nhiễm kim loại chì, asen, sắt và

mangan

Trang 14

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Tài nguyên nước và sự ô nhiễm trong nước

1.1.1 Vai trò của nước

Nước là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sống trên Trái

Đất, là cơ sở của sự sống đối với mọi sinh vật Đối với thế giới vô sinh, nước là một thành phần tham gia rộng rãi vào các phản ứng hoá học; nước là dung môi và là môi trường tàng trữ các điều kiện để thúc đẩy hay kìm hãm các quá trình hóa học Đối với con người, nước là nguyên liệu chiếm tỉ trọng lớn nhất

Vai trò của nước trong đời sống và sản xuất thì vô cùng quan trọng:

Trong đời sống: Nước rất cần thiết cho hoạt động sống của con người cũng như các sinh vật Con người có thể không ăn trong nhiều ngày mà vẫn sống nhưng

sẽ bị chết sau 3 ngày nhịn khát, vì cơ thể người có khoảng từ 65-68% nước Nếu mất 12% nước thì cơ thể sẽ bị hôn mê và có thể chết Con người cần nước để uống, sinh hoạt hàng ngày và cho sản xuất Mỗi người, một ngày ăn uống chỉ cần 2,5 lít nước, nhưng tính chung cả nước sinh hoạt thì phương Tây mỗi người cần khoảng

300 lít nước mỗi ngày còn với các nước đang phát triển, số lượng nước đó thường được dùng cho một hộ gia đình 5-6 người

Trong sản xuất: Nhu cầu nước cho sản xuất công nghiệp và nông nghiệp là rất lớn

+ Trong sản xuất nông nghiệp (chăn nuôi, trồng trọt), nước là nhân tố quyết định hàng đầu "nhất nước nhì phân tam cần tứ giống" Vì vậy nếu thiếu nước, hoặc nguồn nước bị ô nhiễm thì có khả năng gây ra các thảm hoạ trầm trọng như: Nạn đói, bệnh tật, …

+ Trong sản xuất công nghiệp nước cũng đóng một vai trò quan trọng Để khai thác một tấn dầu mỏ cần phải có 10m3 nước, muốn chế tạo một tấn sợi tổng hợp cần tới 5600m3 nước, một trung tâm nhiệt điện hiện đại với công suất 1 triệu

kW phải mất 1,2- 1,6 tỉ m3 nước trong một năm Cụ thể là: Dùng nước để tẩy rửa

Trang 15

nguyên vật liệu, để tham gia vào các quá trình trao đổi nhiệt và các phản ứng chế tạo vật chất mới, …

Tóm lại, nước có vai trò đặc biệt quan trọng Nó là máu sinh học của Trái Đất, là nguồn sống cho con người và cả một cộng đồng rộng lớn Nếu không có nước thì sẽ không có sự sống tồn tại trên Trái Đất này Nhưng hiện nay, vấn đề đặt

ra với chúng ta là phải bảo vệ nguồn nước nhất là nước ngọt một cách triệt để nhất

Vì vậy, con người phải sử dụng hợp lý các nguồn nước sinh hoạt và sản xuất, việc khai thác phải luôn đi đôi với việc chống ô nhiễm nguồn nước đã khai thác sử dụng, phải xử lý nước thải sản xuất và sinh hoạt

1.1.2 Tài nguyên nước [1, 8]

Tài nguyên nước là các nguồn nước mà con người, mọi vi sinh vật sử dụng

hoặc có thể sử dụng vào những mục đích khác nhau như: Dùng trong các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và môi trường Hầu hết các hoạt động trên đều cần nước ngọt Trên thực tế, 97% nước trên Trái Đất là nước muối, chỉ 3% còn lại là nước ngọt nhưng lại hơn 2/3 lượng nước này tồn tại ở dạng sông băng và các mũ băng ở các cực, phần còn lại không đóng băng được tìm thấy chủ yếu ở dạng nước ngầm, và chỉ một tỷ lệ nhỏ tồn tại trên mặt đất và trong không khí

Nước trên hành tinh phân bố không đều, nước tự nhiên tập trung phần lớn ở biển và đại dương, sau đó đến khối băng ở các cực rồi nước ngầm Nước ngọt tầng mặt chỉ chiếm một tỷ lệ không đáng kể Nhưng hiện nay, nhu cầu nước ngọt và sạch

đã vượt cung ở một vài nơi trên thế giới, trong khi dân số thế giới vẫn đang tiếp tục tăng nhanh Như vậy, nhu cầu về nước của con người trở nên cấp thiết Trong khi

đó, sự nhận thức về tầm quan trọng của việc bảo vệ nguồn nước cho nhu cầu hệ sinh thái chỉ mới được lên tiếng gần đây Trong suốt thế kỷ 20, hơn một nửa các vùng đất ngập mặn trên thế giới đã bị biến mất cùng với các môi trường hỗ trợ có giá trị của chúng Các hệ sinh thái nước ngọt mang đậm tính đa dạng sinh học nhưng lại đang suy giảm nhanh hơn các hệ sinh thái biển và đất liền

Trang 16

1.1.3 Tầm quan trọng của nguồn nước ngầm

Thực tế, lượng nước dự trữ trên trái đất rất hiếm hoi mà nhu cầu sử dụng lại lớn Để đáp ứng nhu cầu dùng nước, con người đã không ngừng tìm các nguồn nước mới và cách xử lý nguồn nước Nước khai thác gồm hai loại nước có nguồn gốc khác nhau là: Nước mặt và nước ngầm Nước mặt là nước có trong sông, hồ,

ao, suối Trong đó: Nước sông chảy qua nhiều vùng đất khác nhau vì thế mà lẫn nhiều tạp chất, hàm lượng cặn cao có nhiều chất hữu cơ, rong tảo, vi trùng, và dễ bị

ô nhiễm; nước ao, hồ có hàm lượng cặn thấp hơn nước sông nhưng độ màu và phù

du rong tảo nhiều hơn Nguồn nước ngầm có được là do sự thẩm thấu của nước mặt, nước mưa, nước trong không khí, qua các tầng vỉ đất đá tạo nên những túi nước trong lòng đất Trong quá trình thẩm thấu, một phần nước bị giữ lại ở các khe núi hay các lỗ xốp của các tầng đất đá tạo nên các tầng ngậm nước Thông thường, nước ngầm di chuyển qua một số lớp như: Sỏi, cát thô, cát trung, cát mịn và đá vôi, cho đến tầng không thấm nước Nước ngầm có ưu điểm là có tính ổn định hơn nước mặt Nước ngầm có hàm lượng chất hữu cơ thấp, vi trùng hầu như không có, các thành phần tương đối ổn định và ít bị ô nhiễm Tuy nhiên, nước ngầm lại chứa một

số hợp chất gây độc hại đối với sức khoẻ của con người như: Hợp chất lưu huỳnh, hợp chất nitơ, halogel, và đặc biệt là các kim loại nặng như: Pb, Hg, As, Fe, Mn,

Do đó cũng như nước mặt, khi khai thác nước ngầm ngoài chất lượng nước thì cần đánh giá các chỉ tiêu của nước để có thể xác định phương pháp khai thác và công nghệ xử lý cho thích hợp

1.1.4 Hiện trạng nước ngầm tại Bình Định

Địa phận tỉnh Bình Định gồm 6 tầng chứa nước, trong đó 4 tầng chứa nước

lỗ hổng, 2 tầng chứa nước khe nứt và đới chứa nước khe nứt -phong hóa Trữ lượng động 245751,5 m3/ngày đêm; trữ lượng tĩnh 78365,7 m3/ngày đêm; trữ lượng tiềm năng 1228461,8 m3/ngày đêm; trữ lượng dự báo 773311,6 m3/ngày đêm

Biến động về số lượng tài nguyên nước dưới đất trên địa bàn tỉnh Bình Định chủ yếu do cấp nước sinh hoạt cho dân cư cả đô thị và nông thôn Đến nay, lượng

Trang 17

nước dưới đất phục vụ nước sinh hoạt tại các trạm cấp nước tập trung được khai thác tại sông Hà Thanh 20.000 m3

/ngày; sông Kôn 34.000 m3/ngày; sông Lại Giang 9.000 m3/ngày

b) Nhiễm bẩn

Nước dưới đất trong các tầng chứa nước Holocen và Pleistocen ở đồng bằng Bình Định đa phần là chưa bị nhiễm bẩn Kết quả phân tích một số mẫu nước giếng tầng nông (tầng chứa nước Holocen) cho thấy rằng trong số 11 mẫu được phân tích

12 chỉ tiêu cơ bản thì chỉ có 2 mẫu nước có hàm lượng mangan vượt quá mức quy định so với tiêu chuẩnViệt Nam

Nước dưới đất trên địa phận tỉnh Bình Định ở những nơi không bị nhiễm mặn (tổng độ khoáng hóa tối đa là 1,0 g/l) về tính chất hóa lí nhìn chung đảm bảo cho ăn uống sinh hoạt Về mặt vi sinh hầu hết các giếng dân dụng và một số lỗ khoan nước có Coliform ở mức cao từ 5 đến 2400 lạc khuẩn/100ml nước và E.Coli

từ 3 ÷ 278 lạc khuẩn/100 ml nước, như vậy, nước hầu hết bị nhiễm khuẩn Vì vậy, khi sử dụng nước cho ăn uống cần thiết phải đun sôi theo quy định

Xu thế chất lượng nước dưới đất

Khai thác nước dưới đất ở Bình Định hiện tại chưa phải là vấn đề nghiêm trọng, vì tổng lượng nước khai thác còn thấp hơn so với trữ lượng khai thác an toàn của các tầng chứa nước Tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngầm cũng xảy ra ở một số

Trang 18

nơi Theo tài liệu năm 2007, ở nhiều điểm thuộc huyện Hoài Nhơn, Hoài Ân, An Lão, Phù Mỹ, An Nhơn có hàm lượng thủy ngân, Cadmi, Ba, NH4, vi sinh vượt ngưỡng cho phép Chất lượng nước ngầm tại khu vực khai thác titan đã có dấu hiệu

bị ô nhiễm: nước ngầm có TSS vượt từ 1,48 đến 3,94 lần; PO4 vượt 1,88 lần; Fe vượt từ 1,13 đến 1,57 lần; COD vượt từ 1,34 đến 1,86 lần Tình hình khoan giếng trên toàn tỉnh diễn ra bừa bãi, vô tổ chức, gây nguy cơ ô nhiễm, cạn kiệt nguồn nước

Đánh giá: tài nguyên nước dưới đất có những thay đổi bất lợi, với nguy cơ thấp trong trung hạn Tuy nhiên, những thay đổi này diễn ra với tốc độ chậm nên nếu tiếp diễn cũng sẽ chưa gây phương hại tới các loại hình sử dụng nước hiện tại (như ăn uống sinh hoạt, tưới tiêu, công nghiệp…) trong vòng 10-15 năm tới

Nhìn chung, hiện nay chất lượng nước ngầm tại Bình Định có mức độ ô nhiễm không lớn lắm Các thông số cơ bản trong nước ngầm tại Bình Định được thể hiện qua bảng sau:

Bảng 1.1 Chất lượng nước ngầm tại Bình Định (xã Tam Quan, huyện Hoài

Trang 19

Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HNO3 từ khí quyển, tăng hàm lượng SO42-, NO3- trong nước

Tăng hàm lượng của các ion Ca, Mg, Si trong nước ngầm và nước sông do mưa hòa tan, phong hóa cacbonat

Tăng hàm lượng của các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên như: Pb, Cd,

Hg, As, Zn, Mn

Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi từ khí quyển và từ các chất rắn thải vào môi trường nước cùng với nguồn nước thải Tăng hàm lượng các hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy bằng con đường sinh học (các chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu, …)

Giảm nồng độ oxi hòa tan trong nước tự nhiên do các quá trình oxi hóa có liên quan tới quá trình sống của các vi sinh vật, các nguồn chứa nước và khoáng hóa các hợp chất hữu cơ

Thưc tế hiện nay, nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng cả về chất lượng và

số lượng Trong một vài năm tới chúng ta phải đảm bảo cho 80% dân số được sử dụng nước sạch Nguồn nước chủ yếu được khai thác là nước ngầm Nước ngầm

Trang 20

thường chứa các chất có hại cho sức khỏe của con người như: Các kim loại nặng, hợp chất lưu huỳnh, hợp chất nitơ, halogel và một số các hợp chất khác Đặc biệt là

As và Pb là hai nguyên tố có hàm luợng ở trong nước cao và gây ảnh hưởng lớn đến sức khoẻ của con người Những nguyên tố mà chúng ta quan tâm ở đây là chì (Pb), asen (As), sắt (Fe) và mangan (Mn) vì tình trạng ô nhiễm các kim loại này hiện nay đang ở mức báo động

1.2 Chì và tác hại của chì (Pb) [1, 5]

Chì là một nguyên tố hóa học, viết tắt là Pb và có số nguyên tử là 82 Chì có hóa trị phổ biến là II, có khi là IV; là một kim loại mềm, nặng, độc hại và có thể tạo hình Nó có màu trắng xanh khi mới cắt nhưng bắt đầu xỉn màu thành xám khi tiếp xúc với không khí; là nguyên tố có độc tính cao đối với sức khoẻ con người Chì gây độc cho hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh ngoại biên, tác động lên hệ enzim có nhóm hoạt động chứa hyđro Trong số các kim loại nặng, sự có mặt của

Pb2+ là tương đối phổ biến trong các nguồn nước bị ô nhiễm Chì được dùng trong xây dựng, ắc quy chì, đạn, và là thành phần của nhiều hợp kim Vì vậy, nó có ở trong nước thải của các cơ sở sản xuất pin, ắc quy, luyện kim, hóa dầu Ngoài ra, chì còn được đưa vào môi trường nước từ nguồn không khí bị ô nhiễm do khí thải giao thông Con người khi tiếp xúc với chì thường xuyên sẽ dẫn đến nhiễm độc chì

Chì có thể xâm nhập vào cơ thể người qua nước uống, không khí và thức ăn bị nhiễm chì Chì và hơi chì làm cho mắt, cổ họng và mũi đau rát khi tiếp xúc Chì cũng gây ra các hiện tượng: Nhức đầu, cấu kỉnh, giảm trí nhớ và gây mất ngủ Cơ chế tác dụng độc của chì là sự kìm hãm hoạt động của enzim trong quá trình trao đổi chất của hồng cầu Ban đầu, chúng liên kết lỏng lẻo với hồng cầu và được thải ra khỏi cơ thể với tỉ lệ thấp, phần lớn chúng được vận chuyển đến và tích tụ trong xương, tóc Người bị nhiễm độc chì sẽ bị rối loạn bộ phận tạo huyết (tuỷ xương) Các triệu chứng khi bị nhiễm độc chì là ăn không ngon, sụt cân, buồn nôn, đau bụng, vận động khó khăn, tăng nguy cơ cao huyết áp, và về lâu dài sẽ gây ra các bệnh về thận, tổn hại cho não và gây ra bệnh thiếu máu Nếu nhiễm độc chì nặng có thể gây tử vong Ngoài ra,

Trang 21

chì còn có ảnh hưởng xấu đến khả năng sinh sản ở cả phụ nữ và nam giới, chúng có tác hại đối với thai nhi và có thể dẫn đến hiện tượng quái thai

Hàm lượng chì trong nước tự nhiên khoảng 5µg/l Tuy nhiên, hiện nay nhiều nguồn nước có hàm lượng chì lớn hơn nhiều Hàm lượng chì cho phép đối với nước sinh hoạt là 0,01 mg/l

1.3 Asen và tác hại của asen (As) [2]

Asen hay còn gọi là thạch tín, một nguyên tố hóa học có ký hiệu As và số nguyên tử 33 Asen lần đầu tiên được Albertus Magnus (Đức) viết về nó vào năm

1250 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 Vài trăm loại khoáng vật như thế đã được biết tới Asen và các hợp chất của nó được sử dụng như là thuốc trừ dịch hại, thuốc trừ cỏ, thuốc trừ sâu và trong một loạt các hợp kim

Trạng thái ôxi hóa phổ biến nhất của nó là -3 (asenua: thông thường trong các hợp chất liên kim loại tương tự như hợp kim), +3 (asenat (III) hay asenit và phần lớn các hợp chất asen hữu cơ), +5 (asenat (V): phần lớn các hợp chất vô cơ chứa ôxy của asen ổn định) Asen cũng dễ tự liên kết với chính nó, chẳng hạn tạo thành các cặp As-As trong sulfua đỏ hùng hoàng (α-As4S4) và các ion As43- vuông trong khoáng coban asenua có tên skutterudit Ở trạng thái ôxi hóa +3, tính chất hóa học lập thể của asen chịu ảnh hưởng bởi sự có mặt của cặp electron không liên kết

Phổ biến:

Năm 2005, Trung Quốc là nhà sản xuất asen trắng hàng đầu, chiếm gần 50% sản lượng thế giới Sau đó là Chile và Peru, theo báo cáo của Khảo sát Địa chất Vương quốc Anh

Trang 22

Asenopyrit một cách không chính thức gọi là mispickel (FeAsS) là khoáng vật chứa asen phổ biến nhất Khi bị nung nóng trong không khí, asen thăng hoa ở dạng ôxít asen (III) để lại các ôxít sắt

Các hợp chất quan trọng nhất của asen là ôxít asen (III), As2O3, ('asen trắng'), opiment sulfua vàng (hay thư hoàng) (As2S3) và hùng hoàng đỏ (As4S4), lục Paris, asenat canxi, asenat hiđrô chì Ba hợp chất cuối cùng từng được sử dụng trong nông nghiệp làm thuốc trừ sâu và thuốc độc Thư hoàng và hùng hoàng trước đây được dùng làm thuốc màu trong hội họa, hiện nay đã bị bỏ do độc tính và khả năng phản ứng của chúng Mặc dù asen đôi khi được tìm thấy như là asen tự nhiên trong thiên nhiên nhưng nguồn kinh tế chính của nó là khoáng vật asenopyrit nói trên đây; nó cũng tìm thấy trong các asenua kim loại như bạc, côban (cobaltit: CoAsS và skutterudit: CoAs3) hay niken, hay như là các sulfua, và ôxi hóa như là các khoáng vật asenat như mimetit, Pb5(AsO4)3Cl và erythrit, Co3(AsO4)2 8H2O,

và hiếm hơn là các asenit ('arsenit' = asenat (III), AsO33- chứ không phải asenat (V), AsO43-) Ngoài các dạng vô cơ như nói trên, asen cũng tồn tại trong nhiều dạng hữu cơ trong môi trường

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 (xem ngộ độc asen) có lẽ từ cái chết tế bào do chết hoại, chứ không phải do chết tự nhiên của tế bào

IARC công nhận asen nguyên tố và các hợp chất của asen như là các chất gây ung thư nhóm 1, còn EU liệt kê triôxít asen, pentôxít asen và các muối asenat như là các chất gây ung thư loại 1

Trang 23

Asen gây ra ngộ độc asen do sự hiện diện của nó trong nước uống, “chất phổ biến nhất là asenat [HAsO42- ; As(V)] và asenit [H3AsO3 ; As(III)]” Khả năng của asen tham gia phản ứng ôxi hóa-khử để chuyển hóa giữa As (III) và As (V) làm cho khả năng nó có mặt trong môi trường là hoàn toàn có thể Theo Croal và ctv thì

“việc hiểu về điều gì kích thích ôxi hóa As (III) và/hoặc hạn chế khử As (V) có liên quan tới xử lý sinh học các khu vực ô nhiễm Nghiên cứu các tác nhân ôxi hóa As (III) tự dưỡng thạch hóa học và các tác nhân khử As (V) dị dưỡng có thể giúp hiểu

về ôxi hóa và/hoặc khử asen

Nhiễm bẩn asen trong nước ngầm đã dẫn tới đại dịch ngộ độc asen tại Bangladesh và các nước láng giềng Người ta ước tính khoảng 57 triệu người đang

sử dụng nước uống là nước ngầm có hàm lượng asen cao hơn tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới là 10 phần tỷ Asen trong nước ngầm có nguồn gốc tự nhiên và

nó được giải phóng ra từ trầm tích vào nước ngầm do các điều kiện thiếu ôxy của lớp đất gần bề mặt Nước ngầm này bắt đầu được sử dụng sau khi các tổ chức phi chính phủ (NGO) phương Tây hỗ trợ chương trình làm các giếng nước lớn để lấy nước uống vào cuối thế kỷ 20 Chương trình này được đề ra nhằm ngăn ngừa việc uống nước từ nước bề mặt bị nhiễm khuẩn, nhưng lại không chú trọng tới kiểm định asen trong nước ngầm Nhiều quốc gia và khu vực khác ở Đông Nam Á, như Việt Nam, Campuchia, Tây Tạng, Trung Quốc, được coi là có các điều kiện địa chất tương tự giúp cho quá trình tạo nước ngầm giàu asen Ngộ độc asen đã được báo cáo tại Nakhon Si Thammarat, Thái Lan năm 1987, và asen hòa tan trong sông Chao Phraya bị nghi là chứa hàm lượng cao asen nguồn gốc tự nhiên, nhưng đã không có vấn đề gì với sức khỏe công cộng do việc sử dụng nước đóng chai

Phân tích các nghiên cứu dịch tễ học nhiều nguồn về phơi nhiễm asen vô cơ gợi ý rằng rủi ro nhỏ nhưng có thể đo được tăng lên đối với ung thư bàng quang ở mức 10 phần tỷ.Theo Peter Ravenscroft từ khoa Địa trường Đại học Cambridge khoảng 80 triệu người trên khắp thế giới tiêu thụ khoảng 10 tới 50 phần tỷ asen trong nước uống của họ Nếu họ tiêu thụ chính xác 10 phần tỷ asen trong nước uống

Trang 24

của mình thì phân tích dịch tễ học đa nguồn trích dẫn trên đây phải dự báo 2.000 trường hợp bổ sung về ung thư bàng quang Điều này thể hiện sự ước tính quá thấp

rõ nét về ảnh hưởng tổng thể, do nó không tính tới ung thư phổi và da Những người chịu phơi nhiễm asen ở mức cao hơn tiêu chuẩn hiện tại của WHO nên cân nhắc tới chi phí và lợi ích của các biện pháp giải trừ asen

1.4 Tác hại của sắt (Fe) và mangan (Mn) [10]

Các tạp chất hay gặp hơn trong nước ngầm dùng cho sinh hoạt là mangan và sắt với nồng độ 1 – 2 mg/l, có nguồn đạt tới 8 – 10 mg/l

Nước bị đục và có màu, có mùi vị là do Fe(II) bị oxi hoá thành Fe(III), thuỷ phân tạo thành Fe(OH)3 và mangan tạo thành MnO2 Sắt và mangan thường có trong nước bề mặt và nước ngầm dưới dạng muối tan hay phức, do hoà tan các lớp khoáng trên đường nước chảy qua hoặc do ô nhiễm bởi các nguồn nước thải công nghiệp [6,9]

Mangan là yếu tố gây độc hại cho sức khoẻ của người sử dụng

Nước có hàm lượng sắt >0,5 mg/l và mangan >0,5 mg/l sẽ gây mùi tanh khó chịu, làm nước có màu Khi bị oxi hoá chúng chuyển thành các hợp chất Fe(OH)3 và MnO2 gây keo làm tắc đường ống [6,9]

Theo QCVN 01:2009/BYT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước

ăn, uống thì giới hạn cho phép đối với sắt trong nước ăn, uống là sắt < 0,3 mg/l và mangan < 0,3 mg/l

1.5 Một số phương pháp xử lý nước bị ô nhiễm bởi kim loại

Khi nghiên cứu và đề xuất công nghệ xử lý loại bỏ kim loại nặng trong nước nói chung và chì (Pb), asen (As), sắt (Fe), mangan (Mn) nói riêng, thì trước tiên ta phải căn cứ vào trạng thái tồn tại, mức độ hay nồng độ của nó trong nước, các yếu

tố và điều kiện địa phương

Dưới đây là một số công nghệ xử lý nước bị ô nhiễm chì (Pb), asen (As), sắt (Fe), mangan (Mn)

Trang 25

Công nghệ loại bỏ chì (Pb), asen (As), sắt (Fe), mangan (Mn) trong nước phần lớn được sử dụng các phương pháp sau: Phương pháp kết tủa hydroxyt; phương pháp đông tụ và keo tụ; phương pháp thẩm thấu ngược; phương pháp trao đổi ion; phương pháp hấp phụ

1.5.1 Phương pháp kết tủa hydroxyt [1, 13]

Phương pháp này dựa trên cơ sở là tích số tan của các hydroxyt kim loại; trong dung dịch phụ thuộc vào pH và hoạt độ của kim loại

Biểu thức định lượng của quá trình kết tủa:

Kết tủa hydroxit kim loại là những chất khó tan, vì vậy có thể tách chúng bằng phương pháp đông tụ, sa lắng và lọc

Độ tan kết tủa phụ thuộc vào tích số tan của kết tủa đó

Trong đó: a là hoạt độ

T là tích số tan

Bên cạnh việc sử dụng các tác nhân kết tủa là các chất như: NaOH, Ca(OH)2, người ta còn dùng các tác nhân khác như các muối sunfua, cacbonat Sử dụng các tác nhân này có những ưu điểm như: Quá trình kết tủa xảy ra ở pH thấp, kết tủa tạo thành bền, dễ sa lắng và dễ làm mất màu nước hơn kết tủa hydroxit Tuy nhiên, đối với một số kim loại lưỡng tính khi vượt quá giá trị pH giới hạn thì hydroxit của chúng sẽ bị tan ra và trở lại thành ion trong dung dịch Do đó, để quá trình kết tủa là tối ưu nhất ta cần phải xác định khoảng pH thích hợp

1.5.2 Phương pháp đông tụ và keo tụ [2, 8, 13]

Cơ sở phương pháp này là quá trình trung hòa điện tích (đông tụ) giữa các hạt keo mang điện và liên kết các hạt keo với nhau (keo tụ), để tạo các hạt bông lớn Các chất làm đông tụ thường sử dụng là: Al2(SO4)3.18H2O, KAl(SO4)2.12H2O, và

Trang 26

đặc biệt là PAC Các chất động tụ khi được sử dụng để xử lý các nguồn nước thải

cụ thể cần phải quan tâm đến thành phần và đặc tính của các chất ô nhiễm có trong nước thải Các điều kiện tối ưu cho quá trình đông tụ như: pH, nhiệt độ, hàm lượng của các chất keo tụ, chi phí, … Để quá trình đông tụ và keo tụ xảy ra dễ dàng hơn, người ta sử dụng chất trợ đông tụ như: Tinh bột, dextrin, bentonit, poliacrylamit, Việc sử dụng chất trợ đông cho phép hạ thấp liều lượng chất đông tụ, giảm thời gian quá trình đông tụ và nâng cao tốc độ lắng của các hạt bông keo Thông thường chất trợ đông tụ thêm vào khoảng 1-5 mg/l

1.5.3 Phương pháp thẩm thấu ngược [2, 7]

Khi đặt một màng bán thấm vào giữa một bên là dung môi còn một bên là dung dịch, hoặc một bên là dung dịch loãng một bên là dung dịch đặc, thì sẽ xảy ra hiện tượng dung môi vận chuyển qua màng sang bên dung dịch hoặc từ dung dich loãng sang bên dung dịch đặc, hiện tượng này gọi là hiện tượng thẩm thấu Đến một mức nào đó đạt trạng thái cân bằng, nghĩa là trong cùng một đơn vị thời gian có bao nhiêu phân tử dung môi sang bên dung dịch thì có bấy nhiêu phân tử dung môi đi theo hướng ngược lại

Pdm = Pdd + л Trong đó: Pdd là áp suất chung của dung dịch

Pdm là áp suất của dung môi

Л là áp suất thẩm thấu

Áp suất thẩm thấu (л) là áp suất cần đặt lên dung dịch để cho hiện tượng thẩm thấu dừng lại, л tỉ lệ thuận với nồng độ chất tan trong dung dịch

Л = i.C.R.T Trong đó: i là hệ số đẳng trương hay là hệ số VanHop

C là nồng độ chất tan trong dung dịch (mol/lit)

R là hằng số khí (j/mol.0K)

T là nhiệt độ tiến hành thẩm thấu (oK)

Trang 27

Do vậy, nếu ta đặt một áp suất ngoài (p) thẩm thấu (л) thì dung môi sẽ vận chuyển từ dung dịch đặc sang dung dịch loãng và đây là hiện tượng thẩm thấu ngược Quá trình tách chất bằng phương pháp thẩm thấu ngược phụ thuộc vào nhiệt

độ, áp suất, điều kiện thủy động, kết cấu thiết bị, bản chất và nồng độ nước thải

Áp suất được dùng trong phương pháp thẩm thấu ngược có thể lên tới 150 bar Nếu như màng sử dụng có thể lưu giữ lại các phần tử lớn và áp suất thẩm thấu lớn thì nó được gọi là phương pháp siêu lọc Thẩm thấu ngược và siêu lọc hiện nay

là những phương pháp tách chất bằng màng quan trọng nhất, được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau trong kỹ thuật tách chất

1.5.4 Phương pháp trao đổi ion [2,7]

Cơ sở của phương pháp dựa trên quá trình trao đổi ion của bề mặt chất rắn với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất rắn này gọi là ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước Các chất

có khả năng trao đổi ion dương từ dung dịch chất điện ly gọi là cationit, những chất này mang tính axit, các chất có khả năng trao đổi ion âm gọi là anionit và chúng mang kiềm Các ionit có khả năng trao đổi cả cation và anion thì được gọi là ionit lưỡng tính Các chất trao đổi ion có thể là chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc từ

tự nhiên tổng hợp nhân tạo

- Các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên: Zeolit, đất sét, fenpat…

- Các chất trao đổi ion có nguồn gốc là các chất vô cơ tổng hợp: Silicagen, các oxit và hydroxit khó tan của một số kim loại như: Kẽm, nhôm, crom, … Ví dụ như các chất trao đổi ion của Silicacgen là do sự trao đổi các ion hydro của nhóm hydroxit với cation kim loại trong môi trường kiềm

- Các chất trao đổi ion hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên như: Axit humic của đất (chất mùn), các khoáng sét

- Các chất trao đổi ion tổng hợp: Các chất cao phân tử có bề mặt riêng hữu ích lớn Các gốc hydrocacbon của chúng tạo nên mạng lưới không gian với các

Trang 28

nhóm có chức năng trao đổi ion cố định như: RSO3H, RCOOH, ROH, RPO3H, … Phương pháp này có lợi về mặt kinh tế vì những ngyên nhân sau:

+ Cho phép thu hồi các chất có giá trị và mức độ làm sạch cao

+ Thiết bị vận hành đơn giản

+ Vật liệu có thể tái sinh nhiều lần

Tuy nhiên, trong thực tế nhựa trao đổi ion chiếm đến 60% thể tích bình chứa

và 40% thể tích còn lại là thể tích dung dịch đi vào Do vậy, phương pháp này thường được áp dụng ở quy mô xử lý nhỏ, còn đối với quy trình xử lý qui mô lớn thì phương pháp này bị hạn chế

Trong đó: K là hệ số chuyển khối, tính cho một đơn vị thể tích chất hấp phụ (s-1)

Ci là nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ

Cf là nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm t

Trang 29

t là thời gian tiến hành hấp phụ

Cf là nồng độ dung dịch khi chất hấp phụ đạt cân bằng

Cũng có thể biểu diễn đại lượng hấp phụ của theo khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt vật liệu hấp phụ như sau:

Trong đó: S là tiết diện bề mặt riêng hữu ích của vật liệu hấp phụ

* Các phương trình cơ bản của quá trình hấp phụ

Người ta có thể mô tả một quá trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ Đường đẳng nhiệt hấp phụ mô tả sự phụ thuộc giữa dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch (hay áp suất riêng phần trong pha khí) tại thời điểm đó Đường đẳng nhiệt hấp phụ tại một nhiệt độ nào đó được thiết lập bằng cách cho một lượng xác định chất hấp phụ vào một lượng cho trước dung dịch có nồng độ đã biết của chất bị hấp phụ Sau một thời gian ta đo nồng độ cân bằng của chất hấp phụ trong dung dịch Lượng chất bị hấp phụ được tính theo công thức:

Trong đó: m là lượng chất bị hấp phụ

Ci là nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ

Trang 30

Cf là nồng độ cuối của chất bị hấp phụ

V là thể tích dung dịch chất bị hấp phụ

Các phương trình đẳng nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất là phương trình Langmuir và Freundlich

• Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir thiết lập dựa trên các điều kiện sau: + Chỉ có một chất có thể bị hấp phụ

+ Các phân tử hấp phụ đơn lớp lên bề mặt chất hấp phụ

+ Mỗi một phân tử chất bị hấp phụ chỉ chiếm chỗ của một trung tâm hoạt động bề mặt

+ Tất cả các trung tâm hoạt động liên kết với các phân tử với cùng một ái lực + Không có tương tác qua lại giữa các phân tử chất bị hấp phụ

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir:

Trong đó: q là dung lượng hấp phụ (mg/g)

qmax là tải trọng cực đại tính theo lý thuyết (mg/g)

Cf là nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng

b là hằng số

Trong một số trường hợp, giới hạn phương trình Langmuir có dạng: + Khi b.Cf << 1 thì q = qmax.b.Cf mô tả vùng hấp phụ tuyến tính

+ Khi b.Cf >>1 thì q = qmax mô tả vùng hấp phụ bão hòa

+ Khi nồng độ chất hấp phụ nằm trung gian giữa hai khoảng nồng độ trên thì đường biểu diễn phương trình Langmuir là một đường cong

Để xác định các hằng số trong phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

có thể sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách chuyển phương trình trên thành phương trình đường thẳng:

Trang 31

Hình 1.1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của C f/q vào C f

Với tgα = 1/qmax ; ON =1/b.qmax

• Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich

Đây là phương trình thực nghiệm có thể sử dụng để mô tả nhiều hệ hấp phụ hóa học hay vật lý Phương trình này được biểu diễn bằng hàm mũ:

q = k.C1/n Trong đó: k là hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác

n là hằng số chỉ sự phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn luôn lớn hơn 1

Trang 32

Phương trình Freundlich phản ánh khá sát số liệu thực nghiệm cho vùng ban đầu và vùng giữa của đường hấp phụ đẳng nhiệt, tức là vùng nồng độ thấp của chất

Trang 33

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và giải hấp

Có 3 yếu tố chính ảnh hưởng đến sự giải hấp của các chất lên bề mặt chất rắn, đó là: + Nồng độ của chất tan trong chất lỏng (hoặc áp suất đối với chất khí)

+ Nhiệt độ

+ Quá trình hấp phụ cạnh tranh đối với các chất bị hấp phụ

Ngoài ra còn một số yếu tố khác như sự thay đổi diện tích bề mặt của chất hấp phụ và sự thay đổi pH của dung dịch

 Quá trình hấp phụ động trên cột:

Cột hấp phụ là một thiết bị hình ống bên trong được nhồi chất hấp phụ, ống này được giữ cố định Khi cho một dòng khí hoặc chất lỏng đi qua cột hấp phụ, sau một thời gian cột hấp phụ sẽ chia thành 3 vùng như hình vẽ 1.5:

+ Vùng 1 (ứng với đầu vào của cột): Chất hấp phụ đã bão hòa và đang ở trạng thái cân bằng Nồng độ của chất bị hấp phụ đúng bằng nồng độ ở lối vào + Vùng 2: Là vùng chuyển tiếp, tại đây nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi từ nồng độ đầu đến giá trị 0, vùng này gọi là vùng chuyển khối (là vùng pha lỏng hay pha khí vận chuyển lên trên chất hấp phụ)

+ Vùng 3 (đầu ra của cột): Tại đây sự hấp phụ chưa xảy ra, nồng độ chất bị hấp phụ bằng 0

Khi thời gian thực hiện quá trình hấp phụ tăng lên thì vùng hấp phụ chuyển sang chiều dài cột hấp phụ Chất bị hấp phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi vùng chuyển khối chuyển đến cuối cột Lúc đó cần dừng quá trình hấp phụ, tiến hành giải hấp, tái sinh để thực hiện quá trình tiếp theo

Chiều dài vùng chuyển khối là một tiêu chí quan trọng trong việc nghiên cứu quá trình hấp phụ động trên cột, khi tỷ lệ chiều dài của cột hấp phụ với chiều dài của vùng chuyển khối giảm thì viêc sử dụng cột cho một chu trình cũng giảm, lúc

đó lượng chất hấp phụ cần thiết cho quá trình tăng lên

Vùng chuyển khối đặc biệt dài hơn ở trường hợp hấp phụ chất lỏng so với quá trình hấp phụ chất khí vì độ nhớt của chất lỏng cao hơn Vì độ nhớt đã làm

Trang 34

chậm quá trình chuyển khối trên bề mặt chất rắn cũng như sự khuếch tán bên trong hạt rắn

Hình 1.5 Sơ đồ phân chia các vùng khi tiến hành quá trình hấp phụ

Các phương pháp xử lý được liệt kê ở trên đều có rất nhiều ưu điểm, nhưng phương pháp hấp phụ là được sử dụng rộng rãi nhất để làm sạch nước bị ô nhiễm Ưu điểm của phương pháp là có thể xử lý đồng thời nhiều chất bẩn có mặt trong nước thải, kể cả khi nồng độ của chúng rất thấp Nó có thể xử lý triệt để các chất bẩn khi các phương pháp khác không xử lý được hoặc xử lý một cách không triệt để Ngoài

ra, ưu điểm lớn nhất của phương pháp là giá thành xử lý thấp Vì vậy ở đề tài này, để loại bỏ kim loại trong nước tôi đã chọn phương pháp hấp phụ động trên cột

Lựa chọn được phương pháp xử lý hiệu quả nhưng một vấn đề quan trọng là: Vật liệu nào xử lý hiệu quả cao, an toàn trong quá trình sử dụng và đặc biêt là được tạo ra từ nguồn nguyên liệu dồi dào Vì vậy, vấn đề đặt ra là phải nghiên cứu biến tính những vật liệu đã có; chế tạo ra những loại vật liệu mới vừa có hiệu quả xử lý cao, thân thiện với môi trường, xử lý một cách triệt để lại phù hợp với nguồn nước ở Việt Nam và giá thành hợp lí vì đa số người dân ở khu vực ô nhiễm là những hộ nông dân nghèo

Trang 35

Trước tình hình đó, các nhà khoa học không ngừng cải tiến các vật liệu cũ, chế tạo các vật liệu mới có hiệu quả xử lý các kim loại nặng cao Đặc biệt là tìm nguồn nguyên liệu dồi dào, có sẵn từ tự nhiên để tổng hợp vật liệu

Để tránh nhiễm độc chì cần áp dụng các biện pháp tổng thể: Từ quy hoạch quản lý đến phát triển các công nghệ sản xuất; Xử lý ô nhiễm phù hợp cho đến tuyên truyền, giáo dục, và các giải pháp y tế, chăm sóc sức khỏe cộng đồng … Dựa vào các điều kiện cụ thể của mỗi địa phương mà ta cần lựa chọn một công nghệ xử lý chì trong nước cho phù hợp

Ngày nay, vật liệu nano đang đi sâu vào đời sống hiện đại và đang dần chiếm một ý nghĩa rất lớn đối với đời sống của con người nhờ vào các tính chất rất đặc biệt của chúng mà các vật liệu truyền thống trước đó không có được Tính đặc biệt của vật liệu nano có được là dựa vào kích thước nhỏ bé và tính chất bề mặt hoạt động của chúng

Vật liệu nano là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học nano, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 Vậy thì tại sao vật liệu nano lại thu hút được nhiều đầu tư về tài chính và nhân lực đến vậy? Bài này sẽ điểm sơ qua về vật liệu nano và các phương pháp chế tạo vật liệu

Trang 36

Khi ta nói đến nano là nói đến một phần tỷ của cái gì đó, ví dụ: Một nano giây là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây Còn nano mà chúng ta dùng ở đây có nghĩa là nano mét (một phần tỷ của một mét) Nói một cách rõ hơn là vật liệu chất rắn có kích thước nm vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta sẽ làm việc đó là vật liệu ở trạng thái rắn

Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ

bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu Chỉ là vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này

Trang 37

1.6.2 Ứng dụng của công nghệ nano[21]

Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc của công nghệ hứa hẹn sẽ

“thay đổi cuộc sống của con người” bởi có những tính chất nổi trội và mới lạ Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống kinh tế xã hội, nhưng bên cạnh đó cũng có những thách thức đặt ra về thảm họa môi trường và khả năng phát triển vũ khí loại mới với sức tàn phá không gì so sánh nổi Tuy nhiên, con người ngày nay đã hướng nhiều hơn với cái thiện nên chúng ta có thể hy vọng là công nghệ nano sẽ mang lại hạnh phúc cho nhân loại nhiều hơn

* Công nghệ nano với lĩnh vực điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông

Không có một lĩnh vực nào mà công nghệ nano có ảnh hưởng nhiều như điện

tử, công nghệ thông tin và truyền thông Điều này được phản ánh rõ nhất ở số lượng các transitor kiến tạo nên vi mạch máy tính, số lượng các transitor trên một con chíp tăng lên làm tăng tốc độ xử lý của nó, giảm kích thước linh kiện, dẫn tới giảm giá thành, nâng cao hiệu quả kinh tế lên nhiều lần

Ứng dụng đầu tiên của công nghệ nano là tạo các lớp bán dẫn siêu mỏng mới Ngoài ra công nghệ nano còn mở ra cho công nghệ thông tin một triển vọng mới: chế tạo linh kiện hoàn toàn mới, rẻ hơn và có tính năng cao hơn hẳn so với transitor, đó là các chấm lượng tử được chế tạo ở mức độ tinh vi, mỗi chiều chỉ có 1nm thì một linh kiện cỡ 1 cm3 sẽ lưu trữ được 1000 tỷ tỷ bit, tức là toàn bộ thông tin của tất cả các thư viện trên thế giới này có thể lưu giữ trong đó [18]

Quang điện tử cũng là một yếu tố chủ chốt của cuộc cách mạng công nghệ thông tin Lĩnh vực này cũng đang có xu thế giảm tối đa kích thước, ví dụ như một

số linh kiện của thiết bị phát tia laze năng lượng lượng tử, các màn hình tinh thể lỏng đòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ vài nano met

* Công nghệ nano với lĩnh vực sinh học và y học

Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực sinh học để tạo ra các thiết bị cực nhỏ có thể đưa vào cơ thể để tiêu diệt virut và các tế bào ung thư, tạo ra hàng trăm

Trang 38

các dược liệu mới từ các vi sinh vật mang ADN tái tổ hợp, tạo ra các protein cảm ứng có thể tiếp nhận các tín hiệu của môi trường sống, tạo ra các động cơ sinh học

mà phần di động chỉ có kích thước cỡ phân tử protein, tạo ra các chíp sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các máy tính sinh học với tốc độ truyền đạt thông tin như bộ não

Công nghệ nano sinh học còn có thể được ứng dụng trong y học để tạo ra một phương pháp tổng hợp, thử nghiệm để bào chế dược phẩm, nâng cao các kĩ thuật chuẩn đoán, liệu pháp và chiếu chụp ở cấp độ tế bào với độ phân giải cao hơn

độ phân giải của chụp hình cộng hưởng từ

Một số công cụ đã được phát triển trong những năm gần đây như: kính hiển

vi đầu dò quét (SPM), kính hiển vi nguyên tử lực (AFM) cho phép quan sát trực tiếp hoạt động của từng phân tử bên trong các hệ sinh vật và sự chuyển động của phân

tử ở thời gian thực bên trong một động cơ cấp phân tử [21]

Hy vọng rằng việc ứng dụng các thành tựu của công nghệ nano vào lĩnh vực sinh học và y học sẽ tạo ra được những biện pháp hữu hiệu để nâng cao sức khoẻ, tăng tuổi thọ con người

* Công nghệ nano với vấn đề môi trường

Hoá học xanh và môi trường được quan tâm đặc biệt trong thời gian gần đây Các kim loại dạng bột mịn như Fe, Mn, Zn thể hiện hoạt tính cao với các hợp chất hữu cơ chứa clo trong môi trường nước Điều này dẫn tới việc sử dụng thành công loại màng chứa cát và bột kim loại xốp để làm sạch nước ngầm Các oxit kim loại nano với sự phân huỷ của chất hấp phụ, do đó các vật liệu mới này được gọi là các

“chất hấp thụ phân huỷ” Chúng được sử dụng trong việc xử lí khí, phá huỷ các chất độc hại [17,22]

* Công nghệ nano với vấn đề năng lượng

Nhu cầu về năng lượng là một thách thức nghiêm trọng đối với sự tồn tại và phát triển của thế giới Trước một thực tế là các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày một cạn kiệt thì việc tìm ra các nguồn năng lượng khác thay thế là một

Trang 39

nhiệm vụ cấp bách đặt ra Năng lượng mặt trời có thể chuyển hoá trực tiếp thành điện năng nhờ pin quang điện Nguồn nhiên liệu sạch là hidro có thể được tạo ra nhờ phản ứng quang hoá phân huỷ nước Các quá trình trên đạt hiệu quả cao khi sử dụng các vật liệu nano Việc lưu trữ hidro được thực hiện khi sử dụng các vật liệu ống nano [19,20]

* Công nghệ nano với lĩnh vực vật liệu

Vật liệu compozit gồm các vật liệu khác nhau về cấu trúc và thành phần, sử dụng các hạt nano trong vật liệu composit làm tăng tính chất cơ lí, giảm khối lượng, tăng khả năng chịu nhiệt và hoá chất, thay đổi tương tác với ánh sáng và các bức xạ khác Các vật liệu gốm compozit được sử dụng làm lớp mạ trong điều kiện cơ, nhiệt khắc nhiệt Các lớp mạ tạo bởi các hạt nano có các tính chất khác thường như thay đổi màu khi có dòng điện đi qua Các loại sơn tường chứa các hạt nano làm tăng khả năng chống bám bụi Trên thị trường đã xuất hiện loại thuỷ tinh tự làm sạch do được mạ một lớp các hạt nano chống bám bụi [18]

1.6.3 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano

1.6.3.1 Phương pháp điều chế từ trên xuống

Nguyên lý: Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với

tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu) Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cỡ lớn (có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu

Trang 40

nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm) Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano

1.6.3.2 Phương pháp điều chế từ dưới lên

Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion Phương pháp

từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai

* Phương pháp vật lý: Là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc

chuyển pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: Bốc bay nhiệt (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang); Phương pháp chuyển pha: Vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình – tinh thể (phương pháp nguội nhanh) Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano Ví dụ: Ổ cứng máy tính

Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: Hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) và từ pha khí (nhiệt phân, ) Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano

* Phương pháp kết hợp: Là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các

nguyên tắc vật lý và hóa học như: Điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,

Định dạng
Số trang	85
Dung lượng	1,7 MB