NGHIÊN cứu điều CHẾ vật LIỆU hấp PHỤ ASEN và CÔNG NGHỆ xử lý nước NGẦM NHIỄM ASEN từ bùn THẢI NHÀ máy nước cấp

Với những nhận định trên, chúng em tập trung nghiên cứu điều chế một loại vật liệu hấp phụ asen là Ceramic – Bùn sắt chế tạo từ bùn sắt - đất sét – mùn cưa, từ đó đưa ra một công nghệ xử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU HẤP PHỤ ASEN VÀ CÔNG NGHỆ

TÓM TẮT

Ô nhiễm nước trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng bởi asen đang là một vấn đề nhức nhối hiện nay bởi những tác hại to lớn của chúng đến chất lượng

môi trường và sức khỏe con người trên toàn thế giới Trong những năm gần đây, vấn

đề ô nhiễm asen trong nguồn nước sinh hoạt của cộng đồng đang ngày càng trở nên nghiêm trọng, WHO đã mô tả sự kiện này là “mét thảm hoạ môi trường lớn nhất từ trước tới nay” Cùng với nhu cầu sử dụng nước ngầm ngày càng tăng thì những yêu cầu về tìm hiểu và nghiên cứu công nghệ xử lý nước ngầm cũng ngày càng trở nên cấp thiết hơn

Hiện nay các nhà khoa học trong và ngoài nước đang nỗ lực nghiên cứu các phương pháp khác nhau để loại asen trong nước đến mức chấp nhận được đồng thời cũng đảm bảo tính hiệu quả về mặt kinh tế Ngoài các phương pháp vật lý, hóa học cũng như sinh học đã và đang áp dụng hoặc đang được nghiên cứu để đưa vào ứng dụng thì việc nghiên cứu sử dụng các vật liệu là vấn đề cần thiết cho bất cứ một ngành nghề nào Đặc biệt sử dụng các vật liệu tự nhiên, tái sử dụng các phế thải thân thiện với môi trường luôn được đặt lên hàng đầu nhằm không gây tổn hại tới môi trường, đảm bảo sự phát triển bền vững mà vẫn đem lại hiệu quả cao khi sử dụng Với những nhận định trên, chúng em tập trung nghiên cứu điều chế một loại vật liệu hấp phụ asen là Ceramic – Bùn sắt chế tạo từ bùn sắt - đất sét – mùn cưa, từ đó đưa ra một công nghệ xử lý asen hiệu quả, dễ làm và phù hợp với điều kiện nông thôn Việt Nam để bảo vệ sức khoẻ của con người, cung cấp nguồn nước sạch và an toàn cho các hộ gia đình Với đề tài nghiên cứu này, chúng em đã thu được kết quả sau:

- Vật liệu Ceramic – Bùn sắt có khả năng hấp phụ asen rất tốt

- Vật liệu này loại bỏ các ion kim loại thường tồn tại trong nước ngầm như

As5+, Cu2+, Pb2+, Zn2+, Fe2+ với hiệu suất khá cao trên 80%

- Nghiên cứu thiết kế cột lọc asen tích hợp trong mô hình bình lọc nước hai tầng đạt chuẩn QCVN 01 – 2009/BYT dùng cho ăn uống với hiệu suất xử lý trên 90%

- Thiết kế thùng lọc asen FC sử dụng trong các hộ gia đình đạt yêu cầu chất lượng theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt QCVN 02 - 2009/BYT

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục đích nghiên cứu

3 Nội dung nghiên cứu

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

5 Phương pháp nghiên cứu

6 Những đóng góp mới của đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

1.1.1 Cơ sở lý luận

1.1.2 Cơ sở thực tiễn

1.2 TỔNG QUAN VỀ ASEN

1.2.1 Giới thiệu chung về asen

1.2.2 Tính chất cơ bản của asen

1.2.2.1 Tính chất nguyên tử

1.2.2.2 Tính chất vật lí

1.2.2.3 Tính chất hóa học của asen và các hợp chất của asen

1.2.3 Các dạng tồn tại và sự chuyển hóa asen trong môi trường

1.2.3.1 Asen trong không khí và nước

1.2.3.2 Asen trong đá và quặng

1.2.3.3 Asen trong đất và vỏ phong hóa

1.2.3.4 Asen trong trầm tích

1.2.3.5 Asen trong sinh vật

1.2.4 Nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm asen trong nước ngầm

1.2.5 Hiện trạng ô nhiễm asen trên thế giới và Việt Nam

1.2.5.1 Hiện trạng ô nhiễm asen trên thế giới

1.2.5.2 Hiện trạng ô nhiễm asen tại Việt Nam

1.2.6 Ảnh hưởng của asen đến sức khỏe con người

1.2.6.1 Độc tính các dạng asen và những tác hại đối với sức khỏe con người

1.2.6.2 Cơ chế gây độc của asen

1.2.6.3 Biện pháp phòng ngừa và giải độc

1.2.7 Quy định về nồng độ giới hạn của asen

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ASEN

1.3.1 Phương pháp xử lý asen trên thế giới

1.3.1.1 Phương pháp hóa học

1.3.1.2 Phương pháp hóa lý

1.3.1.3 Phương pháp màng

1.3.1.4 Phương pháp sinh học

1.3.2 Phương pháp xử lý asen đang được nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ

2.1 LÝ THUYẾT HẤP PHỤ

2.2 KỸ THUÂT HẤP PHỤ

2.2.1 Hấp phụ trong điều kiện tĩnh

2.2.2 Hấp phụ trong điều kiện động

2.3 ĐỘNG HỌC HẤP PHỤ

2.3.1 Phương trình phản ứng giả định bậc một

2.3.2 Phương trình phản ứng giả định bậc hai

2.4 ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ

2.4.1 Phương trình Langmuir

2.4.1 Phương trình Freundlich

2.5 MỘT SỐ CHẤT HẤP PHỤ

CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ CERAMIC – BÙN SẮT

3.1 BÙN SẮT

3.2 ĐẤT SÉT

3.3 MÙN CƯA

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH

4.1 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, HÓA CHẤT

4.1.1 Dụng cụ

4.1.2 Thiết bị

4.1.3 Hóa chất

4.1.4 Một số lưu ý trước khi tiến hành thí nghiệm

4.2 VẬT LIỆU

4.2.1 Chuẩn bị vật liệu

4.2.2 Xác định khối lượng riêng của vật liệu

4.2.3 Điều chế vật liệu

4.2.3.1 Khảo sát lượng mùn cưa tối ưu

4.2.3.2 Khảo sát kích thước mùn cưa tối ưu

4.2.3.3 Khảo sát lượng bùn đỏ tối ưu

4.2.3.4 Khảo sát cỡ hạt Ceramic – Bùn sắt tối ưu

4.2.4 Khảo sát hiệu quả hấp phụ asen của vật liệu ở các trường hợp khác nhau

4.2.4.1 Hiệu quả hấp phụ asen khi có mặt mùn cưa – trấu

4.2.4.2 Hiệu quả hấp phụ asen của Ceramic và Ceramic – Bùn sắt

4.2.4.3 Hiệu quả hấp phụ asen của Ceramic – Bùn sắt rửa và không rửa

4.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

4.3.1 Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

4.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

4.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

4.3.4 Phương pháp xác định bề mặt riêng theo phương pháp hấp phụ (BET)

4.4 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT LIỆU THEO PHƯƠNG PHÁP GIÁN ĐOẠN

4.4.1 Ảnh hưởng của pH

4.4.2 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

4.4.3 Nghiên cứu cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt

4.4.4 Nghiên cứu động học hấp phụ

4.5 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT LIỆU THEO PHƯƠNG PHÁP CỘT

4.5.1 Chuẩn bị cột hấp phụ

4.5.2 Ảnh hưởng của pH

4.5.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

4.5.4 Ảnh hưởng của lưu lượng chảy

4.5.5 Ảnh hưởng của nồng độ

4.5.6 Ảnh hưởng của các cation và anion

4.5.7 Nghiên cứu hấp phụ cột bằng mô hình Bed - Volume

4.6 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC NGẦM NHIỄM ASEN

4.6.1 Cột lọc asen tích hợp trong mô hình bình lọc nước hai tầng

4.6.1.1 Thiết kế mô hình

4.6.1.2 Vận hành mô hình

4.6.1.3 Nghiên cứu khả năng xử lý asen qua các lần lọc đầu tiên

4.6.2 Công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen quy mô hộ gia đình

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

5.1 ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU

5.1.1 Kết quả xác định khối lượng riêng của vật liệu

5.1.2 Kết quả phân tích thành phần Sắt có trong mẫu

5.1.3 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

5.1.4 Cấu trúc bề mặt kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)

5.1.5 Xác định diện tích bề mặt theo phương pháp hấp phụ (BET)

5.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU

5.2.1 Khảo sát hiệu quả lượng mùn cưa tối ưu

5.2.2 Khảo sát hiệu quả kích thước mùn cưa tối ưu

5.2.3 Khảo sát hiệu quả lượng bùn sắt tối ưu

5.2.4 Khảo sát cỡ hạt Ceramic – Bùn sắt tối ưu

5.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT HIỆU QUẢ HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT LIỆU Ở CÁC TRƯỜNG HỢP KHÁC NHAU

5.3.1 Hiệu quả hấp phụ asen khi có mặt mùn cưa – trấu

5.3.2 Hiệu quả hấp phụ asen của Ceramic và Ceramic – Bùn sắt tối ưu

5.3.3 Hiệu quả hấp phụ asen của Ceramic – Bùn sắt rửa và không rửa

5.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT LIỆU THEO PHƯƠNG PHÁP GIÁN ĐOẠN

5.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu quả hấp phụ asen

5.4.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến hiệu quả hấp phụ asen

5.4.3 Cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt

5.4.4 Động học hấp phụ

5.5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT LIỆU THEO PHƯƠNG PHÁP CỘT

5.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu quả hấp phụ asen

5.5.2 Khảo sát ảnh hưởng lưu lượng chảy đến hiệu quả hấp phụ asen

5.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả hấp phụ asen

5.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến hiệu quả hấp phụ asen

5.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của cation và anion

5.5.6 Nghiên cứu hấp phụ động trên cột bằng mô hình Bed - Volume

5.6 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC NGẦM NHIỄM ASEN

5.6.1 Cột lọc asen tích hợp trong mô hình bình lọc nước hai tầng

5.6.1.1 Thiết kế mô hình

5.6.1.2 Kết quả vận hành mô hình bình lọc nước hai tầng

5.6.1.3 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý asen qua các lần lọc đầu tiên

5.6.2 Công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen quy mô hộ gia đình

5.6.2.1 Sơ đồ công nghệ

5.6.2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

5.6.2.3 Thiết kế mô hình thùng lọc FC

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

6.1 KẾT LUẬN

6.1.1 Kết luận

6.1.2 Thiếu sót và hạn chế

6.2 KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

I.1 Tính toán quá trình chuyển khối trong cột

I.2 Thiết kế mô hình

PHỤ LỤC II: TÍNH TOÁN KINH TẾ

II.1 Chi phí điện năng tiêu thụ

II.2 Chi phí khấu hao thiết bị điều chế

II.3 Chi phí công điều chế và thuê vật tư

II.4 Chi phí vỏ nhựa bên ngoài lõi lọc

PHỤ LỤC III: CÁC SỐ LIỆU KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM

III.1 Điều chế vật liệu

III.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ theo phương pháp mẻ

III.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ theo phương pháp cột

III.4 Nghiên cứu thiết kế mô hình xử lý nước ngầm nhiễm asen

PHỤ LỤC IV: CÁC HÌNH ẢNH

IV.1 Hình ảnh về vật liệu điều chế

IV.2 Hình ảnh về mô hình hấp phụ theo phương pháp gián đoạn

IV.3 Hình ảnh về mô hình hấp phụ theo phương pháp cột

IV.4 Hình ảnh về lõi lọc asen FC

IV.5 Hình ảnh về thùng lọc asen FC

IV.6 Hình ảnh về thiết bị phòng thí nghiệm

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số vật lí của asen

Bảng 1.2 Một số dạng asen trong các đối tượng sinh học và môi trường

Bảng 1.3 Hàm lượng asen trong một số khoáng vật

Bảng 1.4 Các dạng khoáng vật tự nhiên chứa asen

Bảng 1.5 Kết quả điều tra sơ bộ về ô nhiễm asen trong nước ngầm tại 12 tỉnh

Bảng 4.1 Các thiết bị sử dụng

Bảng 4.2 Hóa chất sử dụng trong quá trình nghiên cứu

Bảng 4.3 Khảo sát hiệu quả xử lý asen của FC theo lượng mùn cưa khác nhau

Bảng 4.4 Khảo sát hiệu quả xử lý asen của FC theo kích thước mùn cưa khác nhau

Bảng 4.5 Khảo sát hiệu quả xử lý asen FC theo lượng bùn sắt khác nhau

Bảng 4.6 Khảo sát hiệu quả xử lý asen của FC theo cỡ hạt khác nhau

Bảng 4.7 Khảo sát hiệu quả xử lý asen của FC theo mùn cưa – trấu

Bảng 4.8 Khảo sát hiệu quả xử lý asen của Ceramic và Ceramic – Bùn sắt

Bảng 4.9 Nồng độ cation và anion có mặt trong dung dịch khảo sát

Bảng 5.1 Khối lượng riêng của vật liệu

Bảng 5.2 Thành phần Sắt trong mẫu vật liệu

Bảng 5.3 Tóm tắt kết quả điều chế vật liệu Ceramic – Bùn sắt tối ưu

Bảng 5.4 Hiệu quả khử asen của vật liệu khi có mặt mùn cưa – trấu

Bảng 5.5 Hiệu quả khử asen của vật liệu Ceramic và Ceramic – Bùn sắt

Bảng 5.6 Hiệu quả khử asen của vật liệu Ceramic – Bùn sắt rửa và không rửa

Bảng 5.7 Kết quả tính toán khảo sát hấp phụ đường đẳng nhiệt của As5+ lên FC

Bảng 5.8 Dung lượng hấp phụ qe dựa trên tính toán lý thuyết và thực nghiệm

Bảng 5.9 Kết quả nghiên cứu động học giả định bậc nhất và bậc hai của đối với As5+ của vật liệu Ceramic – Bùn sắt tại nồng độ 200 ppb

Bảng 5.10 Kết quả nghiên cứu động học giả định bậc nhất và bậc hai của đối với As5+ của vật liệu Ceramic – Bùn sắt tại nồng độ 300 ppb

Bảng 5.11 Các tham số phương trình động học giả định bậc nhất đối với As5+ của vật liệu Ceramic – Bùn sắt

Bảng 5.12 Các tham số phương trình động học giả định bậc hai đối với As5+ của vật liệu Ceramic – Bùn sắt

Bảng 5.13 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các cation đến quá trình hấp phụ As5+

Bảng 5.14 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các anion đến quá trình hấp phụ As5+

Bảng 5.15 Hiệu quả khử các cation của vật liệu Ceramic – Bùn sắt

Bảng 5.16 Hiệu quả khử các anion của vật liệu Ceramic – Bùn sắt

Bảng 5.17 Tóm tắt kết quả chạy cột theo mô hình Bed - Volume

Bảng 5.18 Các thông số thiết kế mô hình cột lọc asen FC

Bảng 5.19 Kết quả chạy mô hình bình lọc nước hai tầng

Bảng 5.20 Các thông số thiết kế thùng lọc FC quy mô gia đình

Bảng I.1 Tóm tắt kết quả chạy cột theo mô hình Bed – Volume

Bảng I.2 Các thông số thiết kế mô hình cột lọc asen

Bảng I.3 Cấu tạo lớp cát lọc và sỏi đỡ trong bể lọc chậm

Bảng I.4 Tóm tắt các thông số thiết kế bồn lọc chậm

Bảng I.5 Các thông số thiết kế thùng lọc FC quy mô gia đình

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một mẫu lớn chứa asen tự nhiên

Hình 1.2 Khoáng vật chứa asen

Hình 1.3 Mô hình tinh thể asen

Hình 1.4 Cấu trúc nguyên tử asen

Hình 1.5 Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen trên thế giới

Hình 1.6 Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen tại Việt Nam

Hình 1.7 Biểu hiện của sự nhiễm độc asen

Hình 1.8 Một số hình ảnh biểu hiện các bệnh do nhiễm độc asen gây ra

Hình 1.9 Các con đường xâm nhập asen vào cơ thể con người

Hình 1.10 Cơ chế giải độc asen

Hình 2.1 Mô tả quá trình truyền khối và đường cong thoát của cột hấp phụ

Hình 3.1 Bùn đỏ

Hình 3.2 Đất sét

Hình 3.3 Mùn cưa

Hình 4.1 Quy trình điều chế vật liệu

Hình 4.2 Mô hình thí nghiệm khảo sát quá trình hấp phụ động trên cột

Hình 5.1 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu bùn sắt

Hình 5.2 Ảnh chụp SEM của đất sét (a) và Ceramic – Bùn sắt tối ưu (b)

Hình 5.3 Ảnh hưởng của khối lượng mùn cưa tới hiệu quả hấp phụ

Hình 5.4 Ảnh hưởng của kích thước mùn cưa tới hiệu quả hấp phụ

Hình 5.5 Ảnh hưởng của lượng bùn sắt tới hiệu quả hấp phụ asen

Hình 5.6 Ảnh hưởng của kích thước hạt FC đối với hiệu quả hấp phụ asen

Hình 5.7 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ asen

Hình 5.8 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ asen

Hình 5.9 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của vật liệu FC

Hình 5.10 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của vật liệu FC

Hình 5.11 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir - Freundlich của vật liệu FC

Hình 5.12 Đồ thị động học hấp phụ giả định bậc 1 tại nồng độ 200 ppb và 300 ppb

Hình 5.13 Đồ thị động học hấp phụ giả định bậc 2 tại nồng độ 200 ppb và 300 ppb

Hình 5.14 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ asen

Hình 5.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ asen

Hình 5.16 Ảnh hưởng của lưu lượng chảy đến khả năng hấp phụ asen

Hình 5.17 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến khả năng hấp phụ asen

Hình 5.18 Nồng độ đầu ra của As theo mô hình Bed – Volume

Hình 5.19 Thời gian hấp phụ đạt cân bằng theo mô hình Bed – Volume

Hình 5.20 Mô hình bình lọc nước hai tầng

Hình 5.21 Lõi lọc asen FC thiết kế

Hình 5.22 Hiệu quả xử lý asen từ mô hình thiết kế

Hình 5.23 Hiệu quả xử lý asen qua các lần lọc đầu tiên

Hình 5.24 Sơ đồ công nghệ đề xuất xử lý ngầm nhiễm asen quy mô hộ gia đình

Hình 5.25 Thùng lọc asen FC thiết kế

Hình II.1 Quy trình điều chế vật liệu Ceramic – Bùn sắt

Hình II.2 Lõi lọc asen FC

EPA (Environmental Protection Agency) Cơ quan bảo vệ môi trường

FC (Ferric – Clay) Vật liệu Ceramic – Bùn sắt

toàn và sức khoẻ nghề nghiệp

RO (Reverse osmosis) Công nghệ thẩm thấu ngược

SEM (Scanning Electron microscope) Phương pháp xác định đặc điểm bề mặt

của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét

tính

UNICEF (United Nations International Children's Emergency Fund) Quỹ Nhi

đồng Liên Hiệp Quốc

WHO (World Health Organization) Tổ chức Y tế thế giới

XRD (X-ray diffraction) Phương pháp đo nhiễu xạ tia X để xác định thành

phần cấu trúc pha tinh thể và độ tinh thể hoá của vật liệu

MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU



1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nước là tài nguyên rất quan trọng đối với con người, con người không thể sống

mà không có nước Nước dùng trong sinh hoạt cần sạch và không chứa các chất độc

hại Cùng với sự phát triển của loài người thì sự ô nhiễm nguồn nước cũng ngày càng

trầm trọng, đặc biệt là nguồn nước mặt Chính vì vậy vai trò của nước ngầm càng đóng

vai trò quan trọng hơn trong nhu cầu sử dụng nước của con người

Tuy nhiên, những năm gần đây nhiều nghiên cứu đã cho thấy nguồn nước ngầm

có chứa hàm lượng các chất asen, sắt, mangan, amoni, cao hơn quy chuẩn cho phép

trong nước ăn uống Trong các chất kể trên thì asen là kim loại nặng có độc tính cao,

sự tích luỹ asen vào cơ thể trong thời gian dài kể cả ở hàm lượng thấp cũng gây nên

nhiều tác hại cho sức khoẻ Phần lớn sự nhiễm độc asen thông qua việc sử dụng nguồn

nước, lương thực, thực phẩm ở những vùng đất, nước, không khí nhiễm asen [5]

Nhiễm độc asen có thể gây ra các căn bệnh nguy hiểm dẫn đến tử vong như ung

thư da và các cơ quan nội tạng Các triệu chứng của nhiễm độc asen bao gồm sự thay

đổi màu da, hình thành 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 Đáng lo ngại là hiện nay chưa có phương

pháp hiệu quả để điều trị những căn bệnh nguy hiểm này Trên thế giới hàng chục triệu

người đã bị bệnh đen và rụng móng chân, sừng hoá da, ung thư da do sử dụng nguồn

nước sinh hoạt có nồng độ asen cao [3] Người ta đã phát hiện thấy ngoài Bangladesh

và Tây Bengan Ấn Độ, nhiều nước đã phát hiện hàm lượng asen rất cao trong nguồn

nước sinh hoạt như: Canada, Mỹ, Italia, Nhật, Trung Quốc, Alaska, Chile, Arhentina,

Indonexina, Thái Lan và Việt Nam,…[31]

Tại Việt Nam, việc ô nhiễm asen chủ yếu diễn ra ở những vùng nông thôn hẻo

lánh, ở đó thường không được cấp nước tập trung mà chủ yếu mang tính tự phát, điều

kiện vệ sinh kém, không có các cơ sở khám chữa bệnh để phòng chống tác hại của

asen Các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu cách xử lý nguồn nước ngầm nhiễm

asen ở những vùng này để hạn chế sự nhiễm độc asen đến người dân nơi đây

Xuất phát từ thực tế trên, nhóm em tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu

điều chế vật liệu hấp phụ asen và công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen từ bùn thải nhà máy nước cấp” từ sản phẩm của thiên nhiên là bùn sắt, mùn cưa và đất sét

(gọi là Ceramic – Bùn sắt), từ đó có thế áp dụng vào thực tiễn và đưa ra công nghệ xử

lý asen hiệu quả, rẻ tiền, dễ làm và phù hợp với điều kiện nông thôn Việt Nam để bảo

vệ sức khoẻ của con người

Thiết kế thùng lọc asen FC sử dụng cho các hộ gia đình nông thôn, đạt chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt QCVN 02 - 2009/BYT

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu điều chế vật liệu hấp phụ asen từ Ceramic – Bùn sắt

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ asen của vật liệu bằng phương pháp mẻ và phương pháp hấp phụ động trên cột

- Đánh giá hiệu quả xử lý của các chỉ tiêu As(V), Cu, Pb, Zn, Fe từ vật liệu Ceramic – Bùn sắt

- Nghiên cứu hấp phụ động trên cột bằng mô hình Bed – Volume

- Nghiên cứu thiết kế cột lọc asen tích hợp trong mô hình bình lọc nước hai tầng, vận hành và đánh giá hiệu quả hấp phụ asen từ mô hình thiết kế

- Đưa ra quy trình công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen và thiết kế thùng lọc asen FC để loại bỏ asen trong nước với quy mô hộ gia đình

4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Đối tượng nghiên cứu:

- Nguồn nước ngầm giả lập nhiễm asen, ion kim loại hoá trị II (Cu, Pb, Zn và Fe)

- Vật liệu lọc Ceramic – Bùn sắt và hiệu quả xử lý của nó

- Xây dựng mô hình xử lý nước uống:

 Cột lọc asen tích hợp trong mô hình bình lọc nước hai tầng

 Thùng lọc asen FC để loại bỏ asen trong nước ngầm

- Thiết kế thùng lọc asen FC với quy mô hộ gia đình ở nông thôn

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp tổng hợp, phân tích: Phân tích, tổng hợp các nghiên cứu trong

và ngoài nước, các dữ liệu cần thiết cho nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm: Được tiến hành qua các thí nghiệm khảo sát theo

trình tự logic, đảm bảo đủ thời gian thực hiện và kết quả phải mang tính đại diện, khách quan và giảm thiểu sai số Quá trình thực nghiệm sử dụng cả hai kỹ thuật hấp phụ: Gián đoạn theo mẻ và qua cột vật liệu cố định để có cái nhìn tổng quan và khả năng ứng dụng thực tế

- Phương pháp toán học: Xử lý các số liệu thực nghiệm, tính toán các thông số

cho quá trình hấp phụ

- Phương pháp đồ thị: Từ các số liệu toán học, dữ liệu thực nghiệm, phương

pháp đồ thị đem lại cái nhìn trực quan, toàn diện, dễ dàng phân tích nhận định về các kết quả đạt được, xác định hướng nghiên cứu hợp lý nhất

- Phương pháp so sánh: Phương pháp này dùng để đối chiếu các kết quả đã

nghiên cứu với nhau nhằm chọn ra kết quả có hiệu suất hấp phụ tốt nhất

6 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Trong tình hình hiện nay, việc mở rộng thêm số lượng các loại vật liệu hấp phụ có tính thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí quản lý, xử lý chất thải có ý nghĩa rất quan trọng và là một biện pháp nhiều triển vọng và được áp dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới để xử lý vấn đề ô nhiễm môi trường

Đề tài “Nghiên cứu điều chế vật liệu hấp phụ asen và công nghệ xử lý nước ngầm

nhiễm asen từ bùn thải nhà máy nước cấp” nhằm tìm ra một loại vật liệu mới có khả

năng loại bỏ asen cũng như các ion kim loại nặng ra khỏi môi trường bị ô nhiễm Với

đề tài này nhóm nghiên cứu đã thu được kết quả:

- Điều chế một loại vật liệu Ceramic – Bùn sắt với tỉ lệ các thành phần bùn sắt, mùn cưa và đất sét đạt hiệu quả xử lý asen tối ưu, có thể đưa vào ứng dụng thực tiễn,

giúp người dân nông thôn có thêm một loại vật liệu rẻ tiền có thể xử lý tốt asen

- Ứng dụng cột lọc asen tích hợp trong mô hình bình lọc nước hai tầng để loại

bỏ asen và các tạp chất ô nhiễm sử dụng trong các hộ gia đình và các khu vực có nguồn nước ngầm bị nhiễm asen, cung cấp nguồn nước sạch và an toàn cho gia đình

- Thiết kế thùng lọc asen FC để khử asen ở những vùng có nguồn nước ngầm bị

ô nhiễm với quy mô hộ gia đình với mục đích sử dụng cho sinh hoạt hằng ngày

Kết quả của đề tài còn là cơ sở khoa học để tiếp tục các nghiên cứu về tính chất hấp phụ của Ceramic – Bùn sắt đối với các kim loại nặng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN



1.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

1.1.1 Cơ sở lí luận

Để loại bỏ asen trong nước ngầm có thể ứng dụng nhiều phương pháp như keo

tụ, kết tủa, hấp phụ, lọc, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách…Tuy nhiên hầu hết các công nghệ này chỉ áp dụng với hệ thống xử lý công suất lớn, chỉ có ít công nghệ có thể áp dụng ở cộng đồng nhỏ và hộ gia đình

Asen có thể được hấp phụ lên bề mặt của các vật liệu dạng hạt, hạt sét hay vật liệu gốc xellulo như: Than hoạt tính đã xử lý bằng một số hợp chất kim loại; các hợp chất oxít sắt, oxít titan, oxít silic; sét khoáng (cao lanh, bentonite ); boxit, hematite, felspat; nhựa tổng hợp trao đổi anion; quặng oxit mangan, cát bọc một lớp oxít sắt hoặc dioxit mangan MnO2, mùn cưa, bột giấy [25]

Vận dụng nguyên lý đó, chúng em đã nghiên cứu khả năng xử lý asen trong nước ngầm bằng vật liệu Ceramic – Bùn sắt Nhằm mục đích phát triển các công nghệ

xử lý asen trong nước sinh hoạt và ăn uống quy mô hộ gia đình với mục tiêu: Các công nghệ xử lý này cần đơn giản, chi phí đầu tư thấp, giá thành rẻ, dễ vận hành, dễ

lắp đặt và có thể sử dụng các vật liệu sẵn có trong tự nhiên

1.1.2 Cơ sở thực tiễn

Vấn đề ô nhiễm asen đang là một vấn đề thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức trong và ngoài nước Ở Việt Nam, những điều tra khảo sát về tình trạng ô nhiễm asen đã được tiến hành và bản đồ các khu vực ô nhiễm asen trong nước ngầm đã được hình thành Những báo cáo đầu tiên về hiện tượng nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam đã được công bố trong hội thảo “Tài nguyên nước dưới đất phục vụ chương trình cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn” năm

1997 Từ đó đến nay có rất nhiều nghiên cứu, điều tra khảo sát hiện trạng cũng như công nghệ xử lý asen được tiến hành trong cả nước

Một kết quả khảo sát về mức độ ô nhiễm asen trong nước ngầm của Viện Công nghệ Môi trường năm 2004 thuộc dự án “Điều tra diện rộng phát hiện sự ô nhiễm asen trong nước giếng khoan ở 12 tỉnh của Việt Nam” cho thấy, trong 12 tỉnh thành được khảo sát chỉ có 3 tỉnh thành là Thành phố Hồ Chí Minh, Long An và Huế chưa phát hiện thấy nhiễm asen, còn các tỉnh thành còn lại bị ô nhiễm khá trầm trọng [24] Tại lưu vực sông Mêkông, trong 4 tỉnh được khảo sát, đáng chú ý là tại tỉnh Đồng Tháp có 41,51% số giếng có hàm lượng asen vượt quá 10 g/l, trong đó hàm lượng asen vượt quá 200 g/l lên tới 23,58%, thậm chí có nơi hàm lượng asen lên tới 1.000 g/l Các tỉnh thuộc lưu vực sông Hồng (tỉnh Hà Nam, Nam Định, Hà Tây, Hưng Yên và Hải Dương) đều bị phát hiện có nhiễm asen trong nước ngầm Trầm trọng nhất là các tỉnh:

Hà Nam, Nam Định, Hà Tây Kết quả khảo sát 7 huyện trong tỉnh Hà Nam cho thấy 58,56% số giếng khoan có hàm lượng asen vượt quá 10 g/l, trong đó số lượng giếng

có hàm lượng asen vượt quá 200 g/l lên tới 10,35% Tại tỉnh Nam Định có 28,96%

số giếng có hàm lượng asen vượt quá 10 g/l, trong đó số giếng có hàm lượng asen vượt quá 200 g/l chiếm khoảng 7,5% Tại tỉnh Hà Tây có tới 46,78% số giếng có hàm lượng asen vượt quá 10 g/l, trong đó số giếng có hàm lượng asen vượt quá 200 g/l chiếm khoảng 3,14% [10]

Từ những kết quả khảo sát trên, có thể thấy rằng nguồn nước ngầm ở Việt Nam

bị nhiễm asen trên diện rộng, mức độ ô nhiễm khá trầm trọng, tương đương với mức

độ ô nhiễm ở Bangladesh [5] Trong khi đó ở các vùng đô thị mới và nông thôn tỉ lệ người dân sử dụng nước ngầm (nước giếng khoan) có hàm lượng asen làm nước ăn uống vẫn còn nhiều Theo thống kê chưa đầy đủ, cả nước hiện có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó có nhiều giếng có nồng độ asen cao hơn từ 20 - 50 lần nồng độ cho phép (10 g/l), ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ, tính mạng của cộng đồng Do đó, nguy cơ người dân bị nhiễm các bệnh liên quan tới sử dụng nguồn nước ô nhiễm asen trong thời gian dài là khó tránh khỏi Theo báo cáo của Cục Y tế Dự phòng – Bộ Y tế (2008), hiện nay tại Việt Nam số người có nguy cơ mắc bệnh do tiếp xúc với asen đã lên tới 17 triệu người (chiếm 21,5% dân số Việt Nam) [2] Vì vậy cần phải theo dõi tiến hành điều tra tình trạng ô nhiễm asen và tác động của nó đến môi trường và sức khỏe người dân để tìm biện pháp giảm thiểu Chính vì vậy, việc nghiên cứu xử lý asen

trong nước ngầm là rất cần thiết nhằm tìm ra một loại vật liệu có sẵn trong tự nhiên, đưa ra được một công nghệ xử lý asen hiệu quả, rẻ tiền, dễ làm và phù hợp với điều kiện nông thôn Việt Nam để bảo vệ sức khoẻ của con người

1.2 TỔNG QUAN VỀ ASEN

1.2.1 Giới thiệu chung về asen

Asen (hay còn gọi là thạch tín) là nguyên tố hóa học có kí hiệu là As, số nguyên

tử khối là 33 trong bảng tuần hoàn hoá học Menđeleep, có tên tiếng anh là Arsenic Asen lần đầu tiên được Albetus Magnus (người Đức) viết về nó vào năm 1250 [28]

Ba dạng có tính kim loại của asen với cấu trúc tinh thể khác nhau cũng được tìm thấy trong tự nhiên, nhưng thường nó tồn tại dưới dạng các hợp chất Asenua và Asenat Vài trăm loại khoáng vật như thế đã được tìm thấy, asen và các hợp chất của

nó được sử dụng như thuốc trừ dịch hại, thuốc trừ cỏ, thuốc trừ sâu và một loạt trong các hợp kim

1.2.2 Tính chất cơ bản của asen

1.2.2.1 Tính chất nguyên tử

Về tính chất nguyên tử của asen được tóm tắt như sau [7]:

- Bán kính nguyên tử: 115 pm

- Bán kính cộng hóa trị: 119 pm

- Bán kính Van Der Waals : 185 pm

- Cấu hình electron: [Ar]3d104s24p3

- Cấu trúc tinh thể: Hộp mặt thoi

2 Khối lƣợng nguyên tử 74,92160 đvc

3 Khối lƣợng riêng 5727 kg/m3

4 Trạng thái vật chất Rắn -

1.2.2.3 Tính chất hóa học

Asen là một nguyên tố bán kim loại, có tính chất hóa học gần với tính chất của á kim, cấu hình lớp vỏ điện tử hóa trị của asen là 4s24p3 Asen tồn tại dưới dạng hợp chất và trong các hợp chất asen có 3 giá trị số oxi hóa: -3, +3, +5 và trong nước asen tồn tại ở 2 dạng hóa trị As(III) và As(V) Hợp chất As(III) có độc tính cao hơn As(V)

và ảnh hưởng tới con người nhiều nhất

Asen có khả năng cộng kết với nhiều các oxit kim loại như Fe, Mn, Al, Zn Trong môi trường khí hậu khô, các hợp chất asen dễ bị hòa tan, rửa trôi để thâm nhập vào đất, nước và không khí

Asen tham gia phản ứng với oxy trở thành dạng As2O3 rồi sau đó thành As2O5 Nếu trong môi trường yếm khí thì As(V) sẽ bị khử về trạng thái As(III)

4As + 3O2 2As2O3

As2O3 + O2 As2O5 Asen tham gia phản ứng với tất cả các halogen trong môi trường axit

2As + 3Cl2 2AsCl3 AsCl3 + Cl2 AsCl5 2As + 3F2 2AsF3

Quy trình các phản ứng oxy hóa diễn ra như sau:

- Ở dạng ion:

FeAsS + O2 + H2O H2AsO4- + H3AsO3 + SO42- + H+ + FeOOH

- Ở dạng hoànchỉnh:

FeAsS + O2 + H2O H3AsO4 + H3AsO3 + SO42- + H2SO4 + FeOOH

1.2.3 Các dạng tồn tại và sự chuyển hóa asen trong môi trường

Sau khi phát tán vào môi trường, As tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy theo bản chất của nguồn phát tán, điều kiện phát tán và điều kiện của môi trường tồn tại As có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau trong nước asen thường tồn tại ở dạng asenit và asenat (AsO33-, AsO43-) Nguyên nhân khiến cho nước ngầm có hàm lượng asen cao là

do sự oxy hóa arsenopyrit trong các tầng đất sét và lớp kẹp thanh bùn trong bồi tích cũng như giải phóng asen dạng hấp thụ khi khử keo hydroxit Fe3+

bởi các hợp chất hữu cơ và vi sinh vật [68]

3-4 Axit dimetylasenic, DMAA Me2AsO2H

5 Axit metylasonic, MMAA MeAsO3H2

Các dạng chủ yếu của As trong môi trường nước – đối tượng được quan tâm nhất trong phân tích môi trường là bốn dạng As(III), As(V), DMA và MMA, trong đó hai dạng vô cơ có độc tính cao hơn

Asen thường di chuyển trong đất, trong trầm tích, trong động thực vật và trong các vùng có hoạt động sinh học trong đại dương

Từ các mỏ tập trung, asen bị phong hóa cùng các kim loại khác và sau đó được vận chuyển đi phân tán trong môi trường Một phần lớn asenat được kết tủa trở lại hoặc hấp phụ trên các hạt kiểu phù sa và được các dòng sông, suối mang từ trên núi xuống bồi đắp các đồng bằng châu thổ của các con sông Cùng với nhôm, sắt, các kim loại khác và khoảng 6% các vật chất hữu cơ trong trầm tích chứa một lượng đáng kể asen Trong điều kiện yếm khí (trong lòng đất), các vi sinh vật phân hủy các chất hữu

cơ nói trên, tạo ra môi trường khử CO2 Tiếp đó là quá tình khử, hòa tan sắt và giải phóng asen đã bị hấp phụ trên đó Đồng thời với quá trình giải phóng asen là quá trình khử As(V) về As(III) và chúng đi vào nước ngầm

As phân bố rộng rãi trong môi trường dưới nhiều trạng thái khác nhau và đi vào các môi trường sống theo nhiều cách thức và tốc độ khác nhau:

- Trong địa quyển: As tích lũy trong khoáng vật và quặng phong hóa với lượng

lớn và được bổ sung vào đất từ quá trình tích lũy của nước, xâm nhập từ không khí và rác thải công nghiệp Lượng As trong đất di chuyển do các quá trình địa chất, địa hóa

và sinh địa hóa khác nhau Trong đất, các dạng As vô cơ tham gia quá trình oxi hóa và metyl hóa nhờ các vi sinh vật [34]

- Trong thủy quyển: Sự phân tán và di chuyển của As trong môi trường nước

đặc biệt quan trọng vì phần lớn các quá trình ô nhiễm đều do ô nhiễm nước As từ đất được giải phóng vào môi trường nước do quá trình oxy hóa các khoáng sunfua hoặc khử các khoáng oxy hidroxit giàu As hay quá trình rửa trôi và khuếch tán tự nhiên Về

cơ chế xâm nhiễm các kim loại nặng trong đó có As vào nước ngầm cho đến nay đã có nhiều giả thiết khác nhau nhưng vẫn chưa thống nhất Thông qua các quá trình thủy địa hóa và sinh địa hóa, các điều kiện địa chất thủy văn mà As có thể xâm nhập vào môi trường nước Hàm lượng As trong nước ngầm phụ thuộc vào tính chất và trạng

thái môi trường địa hóa Nước ngầm trong những vùng trầm tích núi lửa, khu vực quặng hóa nguồn gốc nhiệt dịch, mỏ dầu khí, mỏ than, thường giàu As [52].

Ngoài quá trình di chuyển từ đất vào nước, ô nhiễm As trong nước còn do quá trình đào thải công nghiệp Lượng lớn As trong công nghiệp và khai thác mỏ được đưa nhanh vào nguồn nước do thải trực tiếp hoặc quá trình rửa trôi gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước trên diện rộng do khả năng hòa tan cao của các hợp chất As

[36]

- Trong khí quyển: Lượng As đi vào không khí chủ yếu do hai nguồn là khí thải

công nghiệp hay khí núi lửa và do vi sinh vật chuyển vào

- Trong sinh vật quyển: As đi vào cơ thể thực vật qua nước hoặc đất là chủ yếu,

sau đó chuyển vào cơ thể động vật và bị hấp thụ, chuyển hóa và tích lũy một phần As xâm nhập vào cơ thể sinh vật, đặc biệt là cơ thể người theo nhiều con đường, trong đó phổ biến là qua đường tiếp xúc và qua tiêu hóa Phần lớn lượng As đi vào cơ thể động vật bị chuyển hóa nhanh chóng và đào thải ra môi trường, tiếp tục chu trình vận chuyển của nó trong tự nhiên [43]

Đặc điểm phân bố asen trong các hợp phần môi trường tự nhiên được tóm tắt cụ thể như sau:

1.2.3.1 Asen trong không khí và nước

Hàm lượng As trong không khí (mg/m3) của thế giới khoảng 0,007 - 2,3 (trung bình 0,5), vùng ô nhiễm là 1,5 - 190 (trung bình 15); Châu Phi 0,6 - 1,2; Nam Mỹ 0,9 - 1,6; Châu Âu, Bắc Mỹ 2,4; Nhật Bản 0,3 - 150; Liên Bang Đức 1,5 - 5,3 Theo Phạm Ngọc Hồ và cộng sự (2000), hàm lượng asen trong không khí ở khu vực xung quanh Ngã Tư Sở là 0,036 - 0,071 (trung bình 0,044) [3][8]

Hàm lượng asen ở trong nước mưa (µg/l) ở Thái Bình Dương là 0,6; ở Nhật 1,6;

ở Thụy Điển 2,5; vùng không bị nhiễm ở Bắc Âu là 0,005 - 0,018 (trung bình 0,08), vùng ô nhiễm ở Bắc Âu là 3,6 - 8,4 (trung bình 12,3) [8]

Hàm lượng asen trong (µg/l) nước biển thế giới khoảng 3,7; nước sông thế giới 4; nước sông ở Mỹ 1,5; Nhật 1,7; Liên Bang Đức 3,6; Thuỵ Điển 0,2-10; Anh 15 Hàm lượng asen trong nước dưới đất (µg/l) ở Na Uy 0,002 - 11; Ireland 0,2 - 0,4; Liên Xô 3; Nhật 0,3 - 3,4 ; Thụy Điển 0,08 - 22 [3][8]

1.2.3.2 Asen trong đá và quặng

Asen tồn tại hơn 200 khoáng vật khác nhau, bao gồm các loại asen cơ bản là arsenite, arsenate sulphide, oxit Trong cấu trúc của các loại khoáng vật này, asen thường đi kèm với một số nguyên tố khác như Fe, Ni, Co, Cu, S, Ca, Mg Asen thường xuất hiện trong mạch nước địa nhiệt, núi lửa, suối nước nóng, Khoáng vật phổ biến nhất là Arsenopyrite (loại quặng chứa nhiều asen nhất) tiếp đến là các khoáng asenua (27 loại), sunfua (13 loại), muối sunfua (65 loại) và các sản phẩm ôxy hoá của chúng (2 dạng ôxit, 11 dạng asenit, 116 dạng asenat và 7 dạng silicat) [5][33]

Khoảng nồng độ asen (mg/kg)

Hematit >160 Khoáng Sulphat:

Fe(II) >2000 Gypsum/anhydrite < 1 - 6

Fe(III) >76000 Barite < 1 - 12

Khoáng Khoảng nồng độ asen

Khoảng nồng độ asen (mg/kg)

Magnetite 2,7 - 41 Jarosite 34 - 1000

Khoáng Silicate: Khoáng khác:

Quartz 0,4 - 1.3 Apatite < 1 - 1000 Feldspar <0,1 – 2,1 Halite < 3

Ở Việt Nam, kết quả nghiên cứu cho thấy, trong nhiều phức hệ đá xâm nhập có chứa arsenopyrite với mức hàm lượng asen từ <100 ppm đến 1000 ppm [3]

1.2.3.3 Asen trong đất và vỏ phong hoá

Hàm lượng trung bình của asen trong đất từ 5 - 6 ppm, trong đất ở Mỹ là 1,7 - 5 ppm, ở Pháp và Italia 2 ppm, Canada là 6,3 ppm, Nhật Bản 3,5 - 52 ppm, ở Liên Xô là 3,6 ppm

Các kiểu đất khác nhau về hàm lượng As, hàm lượng trung bình asen trong đất phát triển trên đá cát kết ở Thái Lan là 2,4 ppm, ở Nhật Bản 4 ppm, Hàn Quốc 4,6 ppm, Canada 5,8 ppm, đất Laterit ở Australia là 3ppm Đất phong hoá từ sét kết giàu asen hơn: Bungari 3,4 ppm, Thái Lan 12,8 ppm, Anh 25 ppm

Ở nước ta ít tài liệu về địa hoá asen trong đất, một số nghiên cứu gần đây về sự phân bố asen trong đất và vỏ phong hoá ở Việt Nam cho thấy: Hàm lượng trung bình của asen trong đất Tây Bắc dao động trong khoảng 2,6 - 11 ppm Đất hình thành trên các đá biến chất: phiến sericit, phiến mica, phiến amphibolit thuộc hệ tầng Nậm Cô, đất trên các đá biến chất thuộc hệ tầng Suối Chiềng có hàm lượng asen không cao, khoảng 2,6 ppm Đất dốc tụ trên đá vôi thuộc diệp Đồng Giao - 2,87 ppm, đất phát triển trên cát kết, bột kết, sét kết thuộc hệ tầng Cẩm Thuỷ, trên cát kết, bột kết thuộc diệp Yên Châu trung bình từ 7,1 - 8,4 ppm, đất trên phiến sét thuộc diệp Sông Mã - 9,35 ppm, vỏ phong hoá trên quặng vàng ở Đồi Bù giàu asen hơn (5 - 2550 ppm, trung bình 372 ppm) Hàm lượng asen trong đất và vỏ phong hoá feralit trên các đá bazan hệ tầng Viên Nam ở khu quặng Đồi Bù là 5 - 220 ppm, trung bình 161 ppm [3]

1.2.3.4 Asen trong trầm tích

Hàm lượng tổng asen trong bùn biển đại dương thế giới là 1 ppm, trong trầm tích

Đệ Tứ hạt mịn ở Osaka, Kobe, Kyoto, Chiaba, Fukuoka, Sendai (Nhật Bản) khoảng 1

- 30 ppm, trong trầm tích sét biển tuổi Plio-Pléitocên ở Osaka là 200 ppm Trầm tích

biển ven bờ Việt Nam có hàm lượng Asen dao động trong khoảng 0,1 - 6,1 ppm, cao

nhất là vùng ven bờ Bạc Liêu - Cà Mau, Phú Yên và Quảng Ngãi [3]

1.2.3.5 Asen trong sinh vật

Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới, cây trồng cũng chứa

một lượng As nhất định, đôi khi khá cao Như ở Mỹ, hàm lượng As trong cỏ chăn nuôi

0,06 - 0,7 ppm; trong lúa khô 110 - 200 ppm; ngô 30 40 ppm; bắp cải 20 - 50 ppm;

hành tươi 50 - 200 ppm; cà chua tươi 9 - 12000 ppm As chủ yếu tích tụ ở rễ, ở những

khu vực đất bị ô nhiễm thì rễ cây hấp thụ khá nhiều As (1000 - 6000 ppm), còn phần

trên mặt đất là 100 ppm Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, hàm lượng As trong lúa cao

hơn trong ngô và sắn Sinh vật biển nói chung thường giàu asen, hàm lượng trung bình

của As trong cá biển từ 0,6 - 4,7 ppm (trung bình 2,7 ppm), còn cá nước ngọt là 0,54

ppm As tập trung trong gan và mỡ [3][8]

Đối với cơ thể người, asen đi vào cơ thể trong một ngày đêm thông qua chuỗi

thức ăn khoảng 1 mg, qua bụi không khí 1,4 µg và các đường khác 0,04 - 1,4 µg Hàm

lượng asen trong cơ thể người khoảng 0,08 - 0,2 ppm, tổng lượng asen trong người

trung bình khoảng 1,4 mg Asen tập trung trong gan, thận, hồng cầu, hemoglobin và

đặc biệt tập trung trong não, xương, da, phổi, tóc [23]

Arsen tự nhiên As Mạch thuỷ nhiệt

Niccolite NiAs Mạch khoáng và norites

Khoáng Realgar AsS

Mạch khoáng, thường kết hợp với opiment, sét hoặc limestones cùng với suối

nước nóng

Tên khoáng chất Cấu trúc Nguồn xuất hiện

Khoáng Opiment As2S3 Thăng hoa từ những sản phẩm của núi lửa,

mạch thủy nhiệt, suối nước nóng Khoáng Coban CoAsS Nhiệt độ cao trong các mỏ, đá biến chất

Arsenopyrite FeAsS Khoáng có nhiều arsen nhất

Tennantite (Cu,Fe)12As4S13 Mạch thuỷ nhiệt

Enargite Cu3AsS4 Mạch thuỷ nhiệt

Arsenolite As2O3

Loại khoáng chuyển hóa được hình thành

do sự oxy hóa của khoáng arsenopyrite, arsen tự nhiên và những khoáng asen khác Scorodite FeAsO4.2H2O Khoáng chuyển hoá

Annabergite (Ni,Co)3(AsO4)2.8

H2O

Khoáng chuyển hoá

Hoernesite Mg3(AsO4)2.8H2O Khoáng chuyển hoá, sự nấu chảy chất thải

Haematolite (Mn,Mg)4Al(As4)(

OH)8

Khoáng chuyển hoá

Conichalcite CaCu(AsO4)(OH) Khoáng chuyển hoá

Pharmacosiderite Fe3(AsO4)2(OH)3.

5H2O

Sản phẩm oxy hoá của asenopyrite và khoáng arsen khác

1.2.4 Nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm asen trong nước ngầm

Asen tồn tại trong tự nhiên trong một số loại đá, khoáng vật và đặc biệt trong các

quặng đa kim Đây là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự có mặt của asen

trong nước ngầm Cho đến nay các nhà khoa học đã giả thiết đưa ra một số nguyên

nhân chính có thể gây nhiễm asen vào nước ngầm như sau [23]:

- Do quá trình oxi hoá các khoáng vật pyrit sắt chứa asen bởi ôxi không khí:

Một số nhà khoa học đã nghiên cứu và đi đến khẳng định sự có mặt của asen trong các

trầm tích chứa pyrit sắt Việc khai thác nước ngầm với quy mô ngày càng tăng làm cho mức nước ngầm giảm dần đã tạo điều kiện để các trầm tích pyrit sắt tiếp xúc với không khí dẫn đến phản ứng oxy hoá pyrit sắt thành FeSO4, Fe2(SO4)3 và axit sunfuric Quá trình này giải phóng cả asen và bị oxy hoá thành asenit (AsO33-) và asenat (AsO43-) mà cả hai đều tan trong nước ngầm

- Phản ứng khử các oxyhydroxyt sắt chứa asen: Giả thuyết về quá trình oxi hoá nêu trên không thể giải thích được vì sao lại có một hàm lượng lớn asen ở các giếng sâu và ở điều kiện yếm khí Một số công trình nghiên cứu về lĩnh vực này đã chỉ ra rằng trong các giếng sâu, asen bị giải phóng do các oxyhydroxyt sắt chứa asen bị khử

ở môi trường yếm khí Đây là nguyên nhân chính làm cho hàm lượng asen cao trong nước ngầm ở lưu vực sông Gange, Bangladesh

- Trong điều kiện khử, As(V) dễ bị khử thành As(III) bởi các chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật As(III) dễ tan trong nước và khả năng hấp phụ trên bề mặt chất rắn kém hơn nhiều so với As(V) Việc sử dụng các hợp chất chứa asen trong công nghiệp, nông nghiệp của con người cũng góp phần làm tăng nồng độ asen trong nước ngầm

Asen vốn tự nhiên đã có sẵn trong đất, chúng được gắn kết lên bề mặt của các hydroxit sắt theo cơ chế hấp phụ Trong môi trường khử, sắt chuyển hoá từ dạng oxy hoá, hoá trị 3+ không tan, thành dạng khử, hoá trị 2+ dễ tan trong nước Hiện tượng này

sẽ làm cho asen bám trên bề mặt các hạt hydroxit sắt được giải phóng và hoà tan vào trong nước ngầm

Phương trình phản ứng được biểu diễn như sau [6]:

4FeOOH(As(V)) + CH2O + 7H2CO3 4Fe2+ + 8HCO3- + 6H2O + As(III)

- Do các vi sinh vật: Khi phân tích nước bề mặt ở một vùng gần Montpellier (Pháp), một vùng có trữ lượng kim loại nặng lớn, người ta nhận được kết quả pH từ 2,5 - 3,5 và hàm lượng asen từ 0,1 - 0,3 mg/l đồng thời cũng thấy sự có mặt thường xuyên của một nhóm vi sinh vật Các kết quả thực nghiệm nhận được đã chứng tỏ đó

Vi sinh vật Đại diện cho vật chất hữu

cơ

chính là nguyên nhân gây nên hàm lượng asen cao trong nước Có thể giải thích rằng các vi sinh vật đóng vai trò như chất xúc tác cung cấp oxi cho quá trình oxi hoá các sunfua kim loại làm giải phóng axit sunfuric và kim loại Sau đó axít sunfuric hoà tan kim loại tạo thành muối sunfat và hoà tan asen vào nước [5]

- Nước bị nhiễm asen là do nước chảy qua các vỉa quặng chứa asen đã bị phong hoá; do suy thoái nguồn nước ngầm làm cho các tầng khoáng chứa asen bị phong hoá, asen từ dạng khó tan chuyển sang dạng có thể tan được trong nước [66]

Ngoài những nguyên nhân trên, ô nhiễm asen trong nguồn nước còn do con người gây ra từ thuốc phun hoa quả, khi sản xuất vải vóc, vũ khí, trong thuốc trừ sâu, chất phụ gia trong thức ăn gia súc và trong các dược phẩm, từ các nguồn nước nhiễm bẩn khác của các nhà máy hoá chất dẫn vào các mạch nước ngầm Việt Nam sử dụng lượng rất lớn thuốc bảo vệ thực vật, phân bón chứa asen làm phát tán asen vào trong nguồn nước Trong chiến tranh rất nhiều chất độc hại chứa asen đã được thả xuống lãnh thổ và vùng nước của Việt Nam Vì vậy, mọi nơi trên lãnh thổ Việt Nam đều có nguy cơ nhiễm asen bất cứ lúc nào [64]

1.2.5 Hiện trạng ô nhiễm asen trên thế giới và Việt Nam

1.2.5.1 Hiện trạng ô nhiễm asen trên thế giới

Vấn đề ô nhiễm As trong nước ngầm không còn là một vấn đề mới, nó đã được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới như Argentina, Mêhicô, Chilê, Mỹ, Canada, Trung Quốc, Đài Loan, Thái Lan, Tây Bengal (Ấn Độ), Bangladet và Việt Nam,…với nồng

độ lớn hơn 50 g/l [31] Ở Châu Á, những vùng nhiễm độc asen cao như Băngladet và

Ấn Độ, nồng độ asen trong tóc và nước tiểu được sử dụng phổ biến làm chỉ thị cho sự phơi nhiễm asen mãn tính và tạm thời Sự có mặt của asen ở các khu vực trên thế giới được thể hiện ở hình 1.5

Bangladesh, quốc gia được đánh giá có mức ô nhiễm asen cao nhất thế giới, với nguy cơ tử vong lên đến hàng trăm nghìn người.Với đặc thù về địa hình và điều kiện

kí hậu, nước ngầm là nguồn nước chính được sử dụng tại Bangladesh Năm 1997, một nghiên cứu trên 3000 mẫu nước cho thấy 38% mẫu nước có nồng độ Asen cao hơn 0,05 mg/l, trong khi tiêu chuẩn của WHO chỉ là 0,01 mg/l Ở Manikganj, Harirampar, Faridpur, Gopalganj có 14 trong 19 mẫu phân tích vượt quá tiêu chuẩn cho phép của

Bangladesh (50 g/l), riêng vùng Harirampar cả 4 mẫu phân tích đều trên 100 g/l

[29] Nồng độ cao của asen có thể tìm thấy lên tới 1000 g/l [26] Ước tính hiện nay

có trên 100 triệu dân ở đây có nguy cơ nhiễm độc Asen, trong đó có hơn 35 triệu người đang phải sử dụng nguồn nước nhiễm Asen nồng độ trên 0,05mg/l

BẢN ĐỒ CÁC KHU VỰC NHIỄM ASEN (THẠCH TÍN) TRÊN THẾ GIỚI

Hình 1.5 Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen trên thế giới [50]

Ô nhiễm Asen ở Ấn Độ nghiêm trọng nhất tại khu vực Tây Bengal Trong một nghiên cứu tại Tây Bengal, qua phân tích tại 28.000 mẫu nước tại các làng ô nhiễm, có tới 78% các mẫu có chứa asen với nồng độ trên mức bình thường

Sự nhiễm asen trong nước ngầm ở phía Đông sông Hoogky, một nhánh của sông Hằng phía Tây Bengal đã được báo cáo từ đầu năm 1978 Nhóm bệnh nhân đầu tiên được phát hiện vào tháng 7/1983 Kể từ đó phạm vi ảnh hưởng và số bệnh nhân mới ngày càng tăng Khu vực ảnh hưởng rộng 3.400 km2

, xấp xỉ 30 triệu dân, số người sử dụng nước nhiễm độc asen lên tới hơn 1 triệu người, trong đó hơn 200.000 người đã được xác nhận là có triệu trứng nhiễm độc asen Đây là vụ nhiễm độc asen lớn nhất trong lịch sử [27]

Hai khu vực bắc Argentina: San Antonio delos Codres và Taco Pozo, mỗi nơi nồng độ asen khoảng 200 g/l, số người bị nhiễm độc asen khoảng 20.000 người [32]

Đài Loan gần đây nổi lên như là một trong những khu vực chịu ảnh hưởng nặng

nề nhất từ ô nhiễm asen Các quốc gia châu Á khác như Nhật Bản, Nepal, Iran, Srilanka và Việt Nam cũng nằm trong vùng bị ảnh hưởng asen trong nước ngầm

[30][33]

Chất asen trong nước uống hiện nay đang ảnh hưởng tới hơn 137 triệu người trên thế giới, trong đó có 60 triệu người bị ảnh hưởng nặng nề và trên 80% ở châu Á

Tại Trung Quốc, trường hợp con người bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm asen được ghi nhận tại Tân Cương vào năm 1983 Hiện nay, ngày càng có nhiều trường hợp được ghi nhận tại khu tự trị Nội Mông, tỉnh Sơn Tây và Quý Châu Ước tính tổng số dân phơi nhiễm lên đến 2 triệu người, trong đó có 20.000 bệnh nhân được phát hiện Theo các báo cáo nghiên cứu tại khu tự trị Nội Mông, có tới 655 làng thuộc 11 tỉnh và 1774 bệnh nhân nhiễm asen, nguyên nhân được xem xét đến là đặc điểm địa lý [55]

Ở mỗi quốc gia, với đặc điểm địa lý, địa chất khác nhau các nguyên nhân tìm được chưa hoàn toàn thống nhất Tuy nhiên, sự có mặt của asen trong nước ngầm là có thật và tồn tại như một thách thức lớn với chính phủ và chính quyền các địa phương trong việc bảo vệ sức khoẻ nhân dân

1.2.5.2 Hiện trạng ô nhiễm asen tại Việt Nam

Những năm gần đây, khi trên thế giới đã phát hiện nhiều vùng nhiễm As có ảnh hưởng nghiêm trọng tới đời sống và sức khoẻ người dân thì vấn đề ô nhiễm As ở Việt Nam cũng trở thành vấn đề thời sự

Việt Nam vào đầu những năm 1990, vấn đề ô nhiễm asen được biết đến qua các nghiên cứu của Viện Địa chất và các Liên đoàn Địa chất về đặc điểm địa chất thủy văn

và đặc điểm phân bố asen trong tự nhiên, các dị thường asen Tại đồng bằng sông Hồng cũng như các đồng bằng châu thổ tại Đông Nam Á, nguồn ô nhiễm asen có nguồn gốc từ trầm tích tự nhiên Ngoài ra, nguồn ô nhiễm asen ở Việt Nam một phần

có từ chiến tranh Việt Nam, giai đoạn 1961 đến 1971 có rất nhiều hóa chất độc hại (trong đó có chất asen) đã được quân đội Hoa Kỳ rải xuống Việt Nam

Việc liên tiếp phát hiện nhiều vùng ô nhiễm As ở mức độ nặng đã khiến Việt Nam có tên trong bản đồ ô nhiễm As của thế giới:

Hình 1.6 Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen tại Việt Nam

Theo một cuộc khảo sát của UNICEF đã thử nghiệm 10.792 giếng ở các tỉnh đồng bằng sông Hồng Kết quả cho thấy các tỉnh Hà Tây, Hà Nam và Nam Định nằm dọc theo sông Hồng có 30% - 50% các giếng có nồng độ Asen trên 0,01mg/l Tại Hà Nam, có hơn 30% các giếng thử nghiệm cho kết quả nồng độ Asen trên 0,05 mg/l [25]

Tình hình phân bố Asen ở các tỉnh bị nhiễm có sự khác nhau, trong một làng có thể nồng độ Asen cao ở giếng khoan này nhưng giếng bên cạnh có thể không bị nhiễm Một số nghiên cứu khác cho thấy ở một số huyện của tỉnh Hà Nam (Lý Nhân, Bồ

Đề và Bình Lục) đã có các biểu hiện lâm sàng đáng chú ý của nhiễm độc mạn tính ở cộng đồng do ăn uống nguồn nước bị ô nhiễm Kết quả hội chẩn kết hợp với UNICEF

đã xác định được 8 trường hợp có biểu hiện tổn thương ngoài da do tác hại của asen cần được theo dõi 86% số hộ của khu vực mới sử dụng nước giếng khoan được 6 năm (từ 1997), song qua thống kê của Y tế xã từ tháng 1/2000 đến tháng 9/2003 và kết quả khám sức khoẻ cho thấy: tỷ lệ bệnh ngoài da, biến đổi sắc tố da, sừng hoá, bệnh lý thai sản, tỷ lệ ung thư chung khá cao và có xu hướng tăng theo thời gian

BẢN ĐỒ CÁC KHU VỰC NHIỄM ASEN (THẠCH TÍN) TẠI VIỆT NAM