Tuy nhiên đối với nguồn nước không có khả năng tiếp xúc với oxi như nước ngầm thì nguyên nhân gây ô nhiễm asen là do quá trình phân hủy yếm khí trong lòng đất, quá trình này [r]
Trang 1đại học quốc gia hà nội
Tr-ờng đại học khoa học tự nhiên
-Nguyễn Thị Kim Dung
Nghiên cứu quá trình nhiễm asen
và mangan trong n-ớc d-ới tác động của
điều kiện oxy hóa – khử và ứng dụng để
xử lý chúng tại nguồn
Luận án tiến sĩ hóa học
Trang 2đại học quốc gia hà nội
Tr-ờng đại học khoa học tự nhiên
-Nguyễn Thị Kim Dung
Nghiên cứu quá trình nhiễm asen
và mangan trong n-ớc d-ới tác động của
điều kiện oxy hóa – khử và ứng dụng để
xử lý chúng tại nguồn
Chuyên ngành : Hóa môi tr-ờng Mã số : 62 44 41 01
Luận án tiến sĩ hóa học
Ng-ời h-ớng dẫn khoa học:
H-ớng dẫn chính: PGS.TS Trần Hồng Côn H-ớng dẫn phụ : PGS.TS Bùi Duy Cam
Hà Nội - 2011
Trang 3MỤC LỤC
Danh mục các kỳ hiệu, các chữ viết tắt 6
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 9
1.1 Các dạng tồn tại của asen và mangan trong tự nhiên 14 1.1.1 Asen và mangan trong đá, đất và trầm tích 14 1.1.1.1 Asen và mangan trong đá và khoáng 14 1.1.1.2 Asen và mangan trong đất và vỏ phong hóa 18 1.1.1.3 Asen và mangan trong trầm tích bở rời 19 1.1.2 Asen và mangan trong không khí 20 1.1.3 Asen và mangan trong môi trườ ng nước 20 1.1.3 1 Asen trong môi trườ ng nước 20 1.1.3 2 Mangan trong môi trườ ng nước 24 1.1.4 Asen trong sinh quyển 25 1.2 Sự chuyển hóa giữa các dạng của asen và mangan trong môi trường 26 1.2.1.Chuyển hóa của asen và mangan trong quá trình phong hóa, oxi hóa 26 1.2.2 Quá trình khử sinh hóa tự nhiên trong lòng đất 33 1.3 Quá trình di chuyển và tồn lưu của asen và mangan trong tự nhiên 38 1.3.1 Di chuyển và tích lũy asen trong hệ thống thuỷ sinh 40 1.3.2 Di chuyển và tích lũy asen trong không khí và trong đất 41 1.3.3 Sự di chuyển mangan trong môi trường 43
Trang 42
1.3.4 Di chuyển mangan thông qua hoạt động vi sinh vật trong đất 44 1.4 Quá trình hấp thu, chuyển hóa, tích lũy và tác động của asen và
mangan trong cơ thể con người
44
1.4.1 Quá trình hấp thu, chuyển hóa, tích lũy và tác động của asen đối cơ
thể con người
44
1.4.1.2 Sự chuyển hóa sinh hóa của asen 46 1.4.1.3 Tác động của asen đối với con người 47 1.4.2 Quá trình hấp thu, chuyển hóa, và tác động của mangan đối cơ thể
con người
48
1.4.2.1 Sự hấp thu, chuyển hóa của mangan đối cơ thể con người 48 1.4.2.2 Tác động của mangan đối với con người 49 1.5 Các giải pháp công nghệ giảm thiểu, xử lý asen và mangan trong môi
trường nước
49
1.5.1 Cố định và tách asen bằng cách lắng/lọc 49 1.5.1.1 Quá trình cố định loại bỏ asenat 51 1.5.1.1 Quá trình cố định loại bỏ asenit 52 1.5.2 Cố định và loại bỏ asen dựa trên quá trình oxi hóa – khử 53 1.5.3 Cố định và loại bỏ asen dựa trên các phản ứng trao đổi ion 55 1.5.4 Giải pháp giảm thiểu và cố định mangan 56
2.1 Đối tượng nghiên cứu: 58
2.3.1 Thiết kế thiết bị nghiên cứu 61
Trang 52.3.1.1 Thiết bị nghiê n cứu quá trình phong hóa quă ̣ng asenopyrit 61 2.3.1.2 Thiết kế lắp đặt và vâ ̣n hành thiết bi ̣ nghiên cứu yếm khí 63 2.3.1.3 Hệ thống nghiên cứu quá trình cố đi ̣nh asen và mangan 66 2.3.2 Các phương pháp nghiên cứu 66 2.3.2.1 Nghiên cứu các quá trình oxi hóa As(III) thành As(V) trong
nước tinh khiết (nước deion)
66
2.3.2.2.Nghiên cứu quá trình oxi hóa của asen(III) khi có mặt Mn và Fe 66 2.3.2.3 Nghiên cứu quá trình chuyển hóa của asen và mangan trong môi
trường nước có thành phần tương tự như nước mưa ngấm qua đất
67
2.3.2.4 Nghiên cứu quá trình oxi hóa, kết tủa và chuyển dạng của sắt
hydroxit
67
2.3.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái thù hình của sắt(III)
hydroxit đến khả năng cộng kết – hấp phụ asen và mangan
68
2.3.2.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ sắt(II) ban đầu 68 2.3.2.7 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH 68 2.3.2.8 Nghiên cứu ảnh hưởng của các ion khác 68 2.3.2.9 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phong hóa trong
điều kiện quặng ngập nước
69
2.3.2.10 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa
asen, mangan và sắt trong điều kiện yếm khí trên thiết bị mô phỏng
69
2.3.2.11 Lấy mẫu và phân tích mẫu 69 2.3.2.12 Xác định riêng lẻ As(III) và As(V) trong mẫu nước bằng
phương pháp ICP- AES kết hợp sử dụng vật liệu trao đổi ion
72
Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 74 3.1 Quá trình oxy hóa asen(III) thành asen(V) trong dung dịch nước 74
Trang 64
3.1.1 Quá trình oxy hóa asen(III) thành asen(V) trong nước tinh khiết 74 3.1.2 Ảnh hưởng của Fe đến hiệu suất chuyển hóa As(III) thành As(V) 76 3.1.3 Quá trình chuyển hóa As(III) và Mn (II) trong môi trường nước có
thành phần tương tự nước mưa ngấm qua đất
77
3.2 Quá trình kết tủa, cộng kết, hấp phụ của asen, sắt và mangan 79 3.2.1 Quá trình oxi hóa – thủy phân và các dạng kết tủa của sắt 79 3.2.2 Khả năng cộng kết – hấp phụ asen và mangan của các dạng
sắt(III)hydroxit
82
3.2.3 Ảnh hưởng nồng độ Fe(II) đến khả năng tách loại asen và mangan 84 3.2.4 Ảnh hưởng của pH đến khả năng tách loại asen và mangan 86 3.2.5 Ảnh hưởng nồng độ NH4+
, NO3
-87 3.2.6 Ảnh hưởng nồng độ HCO3
-, SO4
2-88 3.2.7 Ảnh hưởng nồng độ ion phốt phát 89 3.3 Nghiên cứu khả năng giải phóng asen, mangan và sắt vào môi
trường nước từ quặng asenopyrit
92
3.3.1 Nghiên cứu khả năng phong hóa giải phóng asen, mangan và sắt từ
quặng asenopyrit trong điều kiện ngập nước
92
3.3.1.1 Sự biến thiên của pH , ORP, asen, mangan và sắt trong quá trình
phong hóa quặng asenopyrit
92
3.3.1.2 Sự biến thiên nồng đô ̣ của HCO3
-, SO4
2-, NO3
3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phong hóa giải phóng asen, sắt
và mangan ra môi trường nước từ quặng asenopyrit
99
3.3.2.1 Ảnh hưởng pH đến sự giải phóng asen và mangan 99 3.3.2.2 Ảnh hưởng của silicat và phốt phát đến sự giải phóng asen 101 3.3.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy và nhiệt độ 104
Trang 73.3.3 Nghiên cứu khả năng giải phóng asen, sắt và mangan từ quặng
asenopyrit trong điều kiện quặng bị thấm nước
106
3.4 Nghiên cứu sự chuyển hóa của As, Mn và Fe trong điều kiện yếm khí 108 3.4.1.Sự biến thiên nồng độ của Fe(T), As(T) và Mn(II) ở các vị trí khác
nhau trên cột yếm khí mô phỏng
108
3.4.2.Biến thiến nồng độ As(III), As(V) trong môi trường yếm khí 115 3.4.3 Sự biến thiên của sunfua - sunfat và amoni - nitrat 117 3.4.4 Sự biến thiên của nồng độ hydrocacbonat và photphat 120 3.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển hóa asen, sắt và mangan trong
điều kiện yếm khí
122
3.5 Tác động của oxy vào môi trường yếm khí 133 3.5.1 Nghiên cứu khả năng cố định Fe2+
, As(III) và Mn2+ khi có tác động của oxi
133
3.5.2 Biến thiên nồng độ của sunfat, phốt phát và silicat 136 3.5.3 Biến thiên nồng độ của amoni, nitrat và nitrit 138 3.5.4 Ảnh hưởng của ion phốt phát đến quá trình cố định As, Mn và Fe 139 3.5.5 Ảnh hưởng của ion silicat đến quá trình cố định As, Mn và Fe 141 3.5.6 Đề xuất phương án cố định asen, sắt và mangan ngay trong tầng
ngậm nước khi khi khai thác nước ngầm
142
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN
147
Trang 86
Trang 9
MỞ ĐẦU
Cùng với quá trình phát triển kinh tế, xã hội, sự bùng nổ dân số thế giới như hiê ̣n nay , việc cung cấp nước sa ̣ch phục vụ nhu cầu ăn uống và sinh hoa ̣t của con người đang là vấn đề lớn được quan tâm Trong khi nguồn nước mặt đang bị ô nhiễm ngày càng trầm tro ̣ng do nước thải sinh hoạt, nước thải từ các hoạt động sản xuất công nghiệp thì việc sử dụng nguồn nước ngầm cho mục đích cấp nước là một giải pháp hữu hiệu Chất lượng nước ngầm thường tốt hơn chất lượng
nước bề mặt về chỉ tiêu vi sinh Tuy nhiên, trong quá trình khai thác nguồn nước ngầm, thường bi ̣ nhiễm kim loại nặng như mangan, sắt đặc biệt là nhiễm asen ở một số khu vực Ô nhiễm asen trong nước ngầm đã và đang là một vấn đề nan giải ở nhiều vùng/quốc gia trên thế giới như Bangladesh, Tây Bengal (Ấn Độ), trong đó có một số vùng thuô ̣c châu thổ sông Hồng và sông Mekong của Việt Nam
Mangan và asen là hai nguyên tố có hàm lượng tương đối lớ n trong nước ngầm ở một số khu vực [104] Theo nhiều tài liệu công bố cho thấy, nguyên nhân ô nhiễm asen và mangan trong nước (cả nước mặt và nước ngầm) là do hai nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo [28, 84]
Nguyên nhân tự nhiên là do quá trình phong hóa oxy hóa các quặng chứa asenua và quá trình khử yếm khí các hợp chất chứa asenat, Fe(III) oxyt/hydroxit dưới tác động của vi sinh vật và có mặt của các chất hữu cơ Nguyên nhân nhân tạo là do tác đô ̣ng từ các ngu ồn thải của quá trình s ản xuất công nghiệp, chủ yếu tác động đến môi trườ ng nư ớc mặt Cấu tạo đi ̣a chất, ở một số nơi không có các tầng sét ngăn cách giữa nước mặt và các tầng
Trang 1012
ngậm nước, nên asen và mangan từ nước mặt có thể thâm nhập vào các tầng nước ngầm [63,104]
Hầu hết các hợp chất tự nhiên của asen tồn tại ở dạng không tan trong nước như các khoáng asenopyrit, orpiment cho nên tự nó không gây ô nhiễm môi trườ ng nước Sự có mặt của asen với nồng độ khá cao trong nước là do quá trình oxy hóa asenua thành asenat tương tự như sunfua thành sunfat trong điều kiê ̣n tiếp xúc với ôxy trong tự nhiên Tuy nhiên đối với nguồn nước không có khả năng tiếp xúc với oxi như nước ngầm thì nguyên nhân gây
ô nhiễm asen là do quá trình phân hủy yếm khí trong lòng đất, quá trình này
đã khử asenat về asenit và tan vào trong nước dưới dạng các muối hydroasenit hay axit asenơ
Tất cả những nhận đi ̣nh trên được xem là khá hợp lý để giải thích hiện tượng nhiễm asen trong các nguồn nước Nhưng cụ thể các quá trình nhiễm
đó như thế nào và trong những điều kiện “ngẫu nhiên” nào mà asen có thể thâm nhập vào nguồn nước thì còn chưa rõ , nhất là tính chất đi ̣a lý tự nhiên của địa chất từng vùng, từng quốc gia khác nhau vẫn còn là vấn đề cần làm sáng tỏ
Đối với mangan, việc kiểm soát mangan trong các nguồn nước đã được chú trọng Ngoài việc kiểm soát nồng độ mangan trong các nguồn nước ra người ta còn nghiên cứu về nguyên nhân ô nhiễm mangan Trong đó, nguyên nhân gây ô nhiễm mangan chủ yếu là do tác động của nước thải và chất thải công nghiệp đến môi trường nước mặt Đối với nước ngầm, mangan có thể thâm nhập vào từ nguồn nước mặt do quá trình khử MnO2 giống như quá trình khử đối với sắt (III) [45] Tuy nhiên quá trình khử MnO2 như thế nào, trong điều kiện nào cũng cần được nghiên cứu
Trang 11Chính vì vậy, việc nghiên cứu quá trình gây ô nhiễm mangan và asen đối với các nguồn nước vô cùng cần thiết Do vậy chúng tôi thực hiện đề tài
“ Nghiên cứu quá trình nhiễm asen và mangan trong nước dưới tác
động của điều kiện oxy hóa- khử và ứng dụng để xử lý chúng tại nguồn.’’
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
- Mô tả hiện tượng chuyển hóa giữa các dạng của asen và mangan trong nước, tương tác của chúng trong hệ rắn – lỏng và sự hòa tan của chúng vào trong môi trường nước
- Giải thích các quá trình chuyển hóa asen và mangan trong nước
- Nghiên cứu các yếu tố tác động đến sự chuyển hóa và hòa tan của asen và mangan trong môi trường nước
- Dựa vào kết quả nghiên cứu được, đưa ra ý tưởng có khả năng xử lý asen, mangan và sắt tại nguồn
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ giúp cho các nhà khoa học và các nhà quản lý định hướng về giải pháp xử lí hay khoanh vùng ô nhiễm và có biện pháp kiểm soát hiệu quả những ảnh hưởng xấu của chúng tới sức khỏe con người
Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ làm rõ hơn về cơ chế chuyển hóa giữa các dạng tồn tại asen, sắt và mangan giữa các môi trường đất, đá, và nước Kết hợp với các điều kiện về địa chất thủy văn và khí tượng cụ thể của từng khu vực, có thể khoanh vùng và dự báo rủi ro do nguồn nước bị ô nhiễm mangan và asen
Ngoài ra, kết quả nghiên cứu về quá trình cố định asen và mangan còn
có khả năng được ứng dụng trong việc xử lý asen, sắt và mangan, giữ chúng trong lòng đất khi khai thác nước ngầm cho sinh hoạt