Nghiên cứu quá trình xử lý ô nhiễm sắt phục vụ nước cấp vùng nông thôn thành phố đà nẵng bằng vật liệu hấp phụ laterite (đá ong)

Thêm vào đó sắt có thể tạo thành phức bền với các hợp chất humic trong nước, sắt có trong nước sẽ làm ố vàng quần áo, ảnh hưởng đến hộ thống cấp nước do sự phát triển của vi khuẩn oxy hó

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA

- -

NGUYỄN LÊ THẢO NGUYÊN

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM SẮT TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT VÙNG NÔNG THÔN ĐÀ NẴNG BẰNG VẬT LIỆU

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Lê Thảo Nguyên

Lớp : 09CQM

1 Tên đề tài : Nghiên Cứu Quá Trình Xử Lý Ô Nhiễm Sắt Phục Vụ Nước

Cấp Vùng Nông Thôn Thành Phố Đà Nẵng bằng vật liệu hấp phụ Laterite (đá ong)

2 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất

2.1 Thiết bị

Máy đo UV -VIS, máy đo pH, cân phân tích Precisa XT 220- A, máy khuấy từ

và các dụng cụ thủy tinh khác(cốc 250ml, bình định mức, ống nghiệm, pipet…)

2.2 Dụng cụ

Buret 25 ml ,bình định mức, bình tam giác, cốc thủy tinh, pipet, quả bóp cao

su, ống nhỏ giọt, ống đong, ống nghiệm, giấy lọc, bếp điện, ống sinh hàn hồi lưu,bình cầu 2 cổ 250ml, phễu thủy tinh, giá đỡ, chai thủy tinh đựng hóa chất và một số dụng cụ khác

2.3 Hóa chất

Laterite đá ong huyện Hòa Vang

Nước ngầm tại khu vực Hòa Phong

Dung dịch axit sunfosalixilic100 g/1

Dung dịch chuẩngốc Fe³+1g/l ; chuẩn làm việc 0,1 mg/ml : pha loãng chuẩn

3 Nội dung nghiên cứu

Trong khuôn khổ của bản luận văn này nghiên cứu một số nội dung như sau: Chuẩn bị vật liệu hấp phụ (Laterit đá ong)

Xác định thành phần, cấu trúc của Laterit đá ong huyện Hòa Vang, Thành phố

Đà Nẵng

Nghiên cứu quá trình hấp phụ Fe³+ trên vật liệu hấp phụ Laterit đá ong tinh chế Xây dựng mô hình cột lọc thí nghiệm:

 Mẫu nước đối chứng: nước giếng thô, không được xử lý

 Mẫu nước thí nghiệm: nước giếng thô được xử lý bằng cột lọc qua vật liệu hấp phụ Laterit đá ong

 So sánh và đánh giá hiệu quả xử lý

Đề xuất phương án khử sắt cho nhu cầu sử dụng nước hộ gia đình, cụm dân cư

4 Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Lê Tự Hải

5 Ngày giao đề tài : ngày 21/8/2013

6 Ngày hoàn thành : ngày 15/5/2013

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho khoa ngày 25 tháng 05 năm 2013

DANH MỤC BẢNG HÌNH

Bảng Tên bảng

Bảng 1.1: Phân tích các phương pháp xử lý các dạng sắt khác nhau dựa vào

dấu hiệu của nguồn nước 10

Bảng 1.2: Đánh giá ưu - nhược điểm của các phương pháp xử lý nguồn nước cấp có hàm lượng Fe cao và khả năng áp dụng của mỗi phương pháp 12

Bảng 2.1 Kết quả tồng hợp chất lượng nước Đà Nẵng 27

Bảng 4.1: Thành phần hóa học của Laterite tinh chế 38

Bảng 4.2: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ 38

Bảng 4.3: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ 39

Bảng 4.4: Ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng Laterite trên tỷ suất hấp phụ 41

Bảng 4.5: Ảnh hưởng của nồng độ Fe3+ đến hiệu suất hấp phụ 42

Bảng 4.6: Kết quả hàm lượng pH đầu vào ra 43

Bảng 4.7: Xác định khả năng xử lý sắt trong nước ngầm của đá Laterite 44

Hình Tên hình Hình 1.1: Hấp phụ đẳng nhiệt ở T1 và T2 (T2 > T1) 16

Hình 1.2: Xác định hệ số trong phương trình Frendlich 17

Hình 1.3 : Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang 21

Hình 1.4 : Sơ đồ nguyên tắc hệ thống máy UV-VIS hai chùm tia 21

Hình 1.5 : Phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ 22

Hình 3.1: Hình ảnh Laterit đá ong được rửa sạch 31

Hình 3.2: Sơ đồ cấu tạo 2 cột lọc thí nghiệm 34

Hình 3.3: Hình ảnh mô hình thực nghiệm 34

Hình 3.4: Hình ảnh cột lọc thứ nhất 35

Hình 3.5: Hình ảnh cột lọc thứ hai 35

Hình 4.1: Đồ thị ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ 39

Hình 4.2: Đồ thị ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ 40

Hình 4.3: Đồ thị ảnh hưởng của tỉ lệ rắn lỏng đến hiệu suất hấp phụ Fe3+ 41

Hình 4.4: Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ Fe3+ đến hiệu suất hấp phụ của Fe3+42 Hình 4.5: Ảnh hưởng của nồng độ Fe3+ đến tải trọng hấp phụ 42

Hình 4.6: Dạng tuyến tính của phương trình Langmuir đối với ion Fe3+ 43

Hình 4.7: Biểu đồ thể hiện pH trước và sau xử lý 43

Hình 4.8: Biểu đồ thể hiện hàm lượng sắt trước và sau xử lý 44

Hình 4.9: Đề xuất mô hình nước cấp cho khu vực xã Hòa Phong 45

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS

Lê Tự Hải đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên em trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành khóa luận này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo giảng dạy – công tác tại Khoa Hóa trường Đại Học Sư Phạm, Đại Học Đà Nẵng đã dạy dỗ, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình

Qua đây, em xin gởi lời cảm ơn đến các thầy cô phụ trách phòng thí nghiệm đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt luận văn của mình

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2013

Sinh viên

Nguyễn Lê Thảo Nguyên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2

1.1 Tổng quan về vật liệu hấp phụ Laterite đá ong 2

1.1.1 Giới thiệu về Laterite đá ong 2

1.1.2 Laterite đá ong 2

1.2 Giới thiệu chung về sắt(Fe) 3

1.3 Các phương pháp xử lý sắt trong nguồn nước cấp 5

1.4.2 Phân loại quá trình hấp phụ 14

1.4.2.1 Dựa vào bản chất của lực hấp phụ 14

1.4.2.2 Dựa vào sự chuyển động tương đối của phân tử chất lỏng so với phân tử chất hấp phụ

14

1.4.4 Phương trình mô tả quá trình hấp phụ 15

1.4.4.1 Phương trình hấp phụ Frendlich 15

1.4.4.2 Phương trình hấp phụ Langmuir 17

1.4.4.3 Thuyết hấp phụ đa phân tử của BET 18

1.4.5.2 Ảnh hưởng của tính tương đồng 19

1.4.5.3 Ảnh hưởng của pH 19

1.4.5.4 Ảnh hưởng của diện tích bề mặt chất rắn 20

1.5 Giới thiệu phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS 20

1.6 Thực trạng chất lượng nguồn nước cấp vùng nông thôn Đà Nẵng 22

1.6.1 Sơ lược về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội 22

1.6.2 Nguồn nước sử dụng cho mục đích cấp nước vùng nông thôn thành phố Đà Nẵng 25 1.6.2.1 Nước mưa 25

1.6.2.2 Nước ngầm mạch nông 26

1.6.2.3 Nước mặt 26

1.6.4 Đánh giá nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước làm cơ sở để xuất giải pháp xử lý 27 1.6.4.1 Nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước 27

1.6.4.2 Một số nhận xét làm cơ sở đề xuất giải pháp xử lý 28

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ 29

2.1.1 Nguyên liệu, hóa chất 29

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 29

2.2 Nội dung nghiên cứu 29

2.3 Phương pháp nghiên cứu 30

2.3.1 Nguyên tắc khử sắt 30

2.3.3 Phương pháp hóa lý nghiên cứu thành phần và cấu trúc Laterit đá ong 31

2.3.3.1 Phân tích thành phần hóa học 31

2.3.3.2 Phương pháp nghiên cứu hấp phụ tách ion kim loại nặng trong nước 31

2.3.3.3 Thời gian khuấy 31

2.3.3.4 pH dung dịch 32

2.3.3.5 Tỷ lệ khối lượng Laterit trong dung dịch 32

2.3.3.6 Nồng độ cation kim loại nặng 32

2.4 Mô hình thí nghiệm cột lọc 32

2.4.1 Cấu tạo mô hình cột lọc thực nghiệm 33

2.4.2 Chuẩn bị vật liệu 35

2.4.3 Nội dung thí nghiệm 35

2.4.4 Tiến hành thí nghiệm 35

2.4.5 Xác định tốc độ lọc 36

2.4.6 Lựa chọn chiều dày các lớp vật liệu 36

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Thành phần, cấu trúc của Laterite đá ong 37

3.2 Ảnh hưởng các yếu tố đến quá trình tách ion Fe 3+ 37

3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian khuấy 37

3.2.2 Ảnh hưởng của pH 38

3.2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng Laterite trong dung dịch 39

3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ Fe 3+ 40

3.3 Kết quả mô hình thực nghiệm 42

3.3.1 Khảo sát hàm lượng pH trong nước 42

3.3.2 Khảo sát hàm lượng sắt trong nước 43

3.4 Đề xuất phương án khử sắt cho nhu cầu sử dụng nước của một hộ dân cư vùng nông thôn

-1-

MỞ ĐẦU

Nước sạch và vệ sinh môi trường là nhu cầu cơ bản trong đời sống hàng ngày của mọi người và đang trở thành vấn đề trong việc bảo vệ sức khoẻ và cải thiện điều kiện sinh hoạt cho nhân dân, đặc biệt là ở các vùng nông thôn ngập lụt Các xã như Hoà Châu, Hoà Phong, huyện Hoà Vang 40% hộ đang dùng nước giếng Điều này

ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của người dân

Trong nước ngầm sắt thường tồn tại ở dạng ion, sắt có hoá trị 2 (Fe2+) là thành phần của các muối hoà tan như: Fe(HCO3)2; FeSO4 và dễ dàng bị oxi hóa lên Fe3+ hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước

có mùi tanh và có màu vàng, gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng nước sinh hoạt và sản xuất, Fe gây ảnh hưởng đáng kể đến việc cấp nước sinh hoạt

Nước chứa hàm lượng Fe cao tuy không ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe của người sử dụng nhưng những nguồn nước này khi tiếp xúc với oxy không khí trở nên đục và gây cảm quan không tốt do sự oxy hóa Fe (II) thành Fe (III) tồn tại dưới dạng kết tủa keo Thêm vào đó sắt có thể tạo thành phức bền với các hợp chất humic trong nước, sắt có trong nước sẽ làm ố vàng quần áo, ảnh hưởng đến hộ thống cấp nước do sự phát triển của vi khuẩn oxy hóa sắt Do đó, tiêu chuẩn đối với nước cấp

là Fe< 0.3 mg/l Cụ thể:

Từ nhu cầu thực tế, để đảm bảo cung cấp nguồn nước an toàn phục vụ cho cộng đồng dân cư ở các thời điểm khó khăn, đặc biệt trong mùa mưa lũ, việc tìm kiếm mô hình cấp nước sạch với công nghệ đơn giản mà hiệu quả, dễ quản lý và sử dụng với chi phí chấp nhận được phù hợp với điều kiện nông thôn là việc làm rất

cần thiết Trên cơ sở đó, tôi tiến hành chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XỬ

LÝ Ô NHIỄM SẮT TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT VÙNG NÔNG THÔN ĐÀ NẴNG BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ ĐÁ LATERITE ĐÁ ONG”

-2-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về vật liệu hấp phụ Laterite đá ong [2,4,8]

1.1.1 Giới thiệu về Laterite đá ong

Laterite có một lịch sử nghiên cứu hơn 200 năm kể từ ngày Buchanan đặt ra thuật ngữ này(1807) nhưng hơn 100 năm sau mới có những kết quả phân tích về thành phần thạch học và khoáng vật Thuật ngữ Laterite được hiểu là những thể địa chất, trong đó tích tụ nhiều dạng thứ sinh của nhôm, sắt cứng rắn tại chỗ hoặc có khả năng cứng rắn khi bị phơi thông ra không khí

Laterite là các sản phẩm của quá trình phong hoá các đá xảy ra mãnh liệt và kéo dài ở vùng nhiệt đới và được tăng cường bởi lượng mưa lớn và nhiệt độ cao Quá trình chuyển hoá từ đá thành Laterite xảy ra tương đối từ từ bởi vì tăng cao hàm lượng sắt và giảm hàm lượng silic trong các mặt cắt Laterite

1.1.2 Laterite đá ong

Bản chất quá trình Laterite hóa là là quá trình rửa trôi và tích tụ tuyệt đối các cation Fe3+,Fe2+ ;Al 3+;Mn6+ Các cation này có sẵn trong môi trường đất nhiệt đới do mưa và tác động dòng nước thấm, nước ngầm, chúng có cơ hội tập trung lại một chỗ trong đất với mật độ cao Các cation này hấp thụ vào một nhóm mang điện tích âm (keo sét hoặc oxit sắt) hoặc một tác nhân khác kết dính giữa các cation đó để tạo nên những liên kết tương đối bền vững Khi nhiệt độ môi trường lên cao, độ ẩm giảm thấp, các liên kết này mất nước, sẽ tạo nên những oxit kim loại cứng chắc, do đó độ cứng cao và rất cao

Laterite đá ong phổ biến ở nước ta Thành phần hóa học và khoáng vật của vỏ phong hóa Laterite phụ thuộc vào thành phần đá mẹ, địa hình và động thái nước ngầm Đá ong hình thành ở các vùng khí hậu nhiệt đới, có hai mùa mưa và khô xen

kẽ Đá ong có nhiều ở Việt Nam, đặc biệt ở vùng duyên hải miền Trung Thành phần chủ yếu của Laterite là các Hydroxyt sắt và Nhôm, hoặc các oxit ngậm nước của chúng và một lượng nhỏ các hợp chất của Mangan, Titan Đá ong là khoáng chất có cấu trúc rỗng gồm nhiều tổ (lỗ) có kích cỡ từ 1-2 đến 3-4 cm Các vách

-3-

thành của khung là một khối cả khoáng sét lẫn khoáng sơ cấp không biên hoá của đá

mẹ tại chỗ bị oxit sắt kết dính lại, có màu đỏ Phần ruột thường là sản phẩm sét và sắt hydroxit Với cấu trúc và thành phần khoáng như vậy nên đá ong rất đễ tạo thành những tâm hấp phụ các hạt mang điện tích, tạo nên phản ứng hấp phụ Ở điều kiện

tự nhiên, loại đất sét này có điện tích bề mặt dương, có khả năng hấp phụ các chất

bẩn mang điện tích âm như Asenic, sắt , Có thể đưa Laterite trực tiếp vào nước cần xử lý như chất hấp phụ, sau đó để lắng hoặc có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ trong bể lọc

1.2 Giới thiệu chung về sắt(Fe) [1,15]

Sắt là kim loại phổ biến nhất (theo khối lượng, 34,6%) tạo ra trái đất, nó cũng là nguyên tố phổ biến thứ 10 trong vũ trụ

Sắt là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Fe, số hiệu nguyên tử bằng 26, thuộc chu kì 4, nhóm VIIIB

- Tính chất vật lý của sắt

Sắt là kim loại có màu trắng xám, có ánh kim, dễ rèn, dễ dát mỏng

Nhiệt độ nóng chảy: 1808 K, nhiệt độ sôi: 3023 K

là thành phần của các muối hoà tan như: Fe(HCO3)2: FeSO4,…

Hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước có mùi tanh và có màu vàng, gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất Thêm vào đó sắt có thể tạo thành phức bền với các hợp chất humic trong nước, sắt có trong nước sẽ làm ố vàng quần áo, ảnh hưởng đến hộ thống cấp nước do sự phát trièn của vi khuẩn oxy hóa sắt Sắt cũng gây mùi tanh

-4-

cho nguồn nước dù nồng độ rát nhỏ Do đó, tiêu chuẩn đối với nước cấp là Fe< 0,3 mg/l Cụ thể:

Sức khỏe: sắt không gây nguy hại nhiều dối với sức khỏe nhưng nó tạo ra chất

nhiễm bẩn thứ cấp và ảnh hưởng đến cảm quan của người dùng Ở liều lượng cần thiết cho sức khỏe, sắt giúp vận chuyển oxy trong máu

Khi hàm lượng sắt trong cơ thể vượt quá 45 mg/ngày thể trọng sẽ gây nên tử vong

Mùi vị và thức ăn: Sắt hòa tan trong nước làm cho nước có mùi vị không mong

muốn Khi sắt tồn trong nước pha trà, cafe và các thức uống khác sẽ tạo màu đen và chát, mùi vị không mong muốn Ví dụ: Rau được nấu bằng nước nhiễm sắt làm cho rau có màu đen

Những chất bẩn và lắng: Nồng độ của sắt lớn hơn 0,3mg/l sẽ tạo màu lên đồ

đạc, dụng cụ và áo quần, rất khó để loại bỏ chúng

Sắt hữu cơ: Sắt có thể tồn tại ở dạng tạp chất hữu cơ Dạng tồn tại này thường

có mặt ở nước mặt và trong các các giếng nước tầng nông Dạng này thường có màu vàng, màu nâu nhưng cũng có thể không màu

 Các trạng thái tồn tại tự nhiên của sắt trong nước [4]

a/ Các hợp chất vô cơ của sắt

- Các hợp chất vô cơ của sắt hóa trị II: FeS, Fe(OH)2, FeCl2, Fe(HCO3)2,

FeSO4,

- Các hợp chất vô cơ của sắt hóa trị III: Fe(OH)3, FeCl3, trong đó keo hydroxyt sắt hóa trị III Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng trong các bể lắng

và bể lọc Vì thế các hợp chất vơ cơ của sắt hòa tan trong nước hoàn toàn có thể xử

lý bằng phương pháp lý học: làm thoáng lấy oxy của không khí để oxy hóa sắt hóa trị II và cho quá trình thủy phân, keo tụ Fe(OH)3 xảy ra hoàn trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong

b/ Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, phot phat [FeSiO(OH) -3 ]

- Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic, funvic

vô nước các chất keo tụ FeCl3, Al2(SO4)3 và kiềm hóa để có giá trị pH thích hợp cho quá trình đồng keo tụ các loại keo sắt và phèn xảy ra triệt để trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong

1.3 Các phương pháp xử lý sắt trong nguồn nước cấp [3,4,5,13]

Hiện nay có nhiều phương pháp khử sắt trong nước ngầm, có thể chia thành 4 nhóm chính như sau:

Fe2+ và thủy phân Fe3+ có thể xảy ra trong môi trường tự do, môi trường hạt hay môi trường xúc tác Cụ thể như sau:

- Phản ứng oxi hóa Fe2+ thành Fe 3+ và thủy phân Fe 3+ trong môi trường tự do

-6-

4Fe2+ + O2 + 10H2O 4Fe(OH)3 + 8H+

Đồng thời xảy ra phản ứng phụ: H+ + HCO

-3 H2O + CO2 Nếu trong nước tồn tại các chất hòa tan như: H2S, NH3, các chất bẩn hữu cơ, chúng sẽ gây cản trở quá trình oxi hóa Fe2+ Do đó, khi làm thoáng phải đuổi hết H2S để quá trình oxi hóa sắt xảy ra thuận lợi

Sau khi làm thoáng, nước phải có pH > 7, độ kiềm > 2mgđl/l

Khi tất cả các ion Fe2+ hòa tan trong nước đã chuyển hóa thành các bông cặn Fe(OH)3 Việc loại bỏ các bông cặn ra khỏi nước được thực hiện ở bể lọc chủ yếu theo cơ chế giữ cặn cơ học

- Phản ứng oxi hóa Fe 2+ và thủy phân Fe 3+ trong môi trường dị thể cửa lớp vật liệu lọc (Khử sắt bằng làm thoáng đơn giản và lọc).

Trường hợp này làm thoáng chỉ để cung cấp oxi cho nước Khi làm thoáng,

Fe2+ được oxi hóa thành Fe3+ với tỉ lệ nhỏ Quá trình oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 chủ yếu xảy ra trong lớp vật liệu lọc

Quá trình làm thoáng như vậy sẽ tạo ra trên bề mặt các hạt vật liệu lọc một lớp màng Lớp màng này có cẩu tạo từ các hợp chất sắt như: Fe2+, Fe3+, Fe(OH)2, Fe(OH)3, có tác dụng xúc tác làm tăng tốc độ oxi hóa

Phản ứng oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ khi có mặt lớp màng xúc tác là oxit mangan Lớp màng oxit mangan là chất xúc tác làm tăng quá trình oxi hóa Fe²+ thành

Fe3+ ngay cả trong trường hợp pH thấp (pH < 5) Các phản ứng tại lớp màng xảy ra như sau:

MnOMn2O7 + 4Fe(HCO3)2 + 2H2O 3MnO2+ 4Fe(OH)3+ 8CO2 3MnO2 + O2 MnOMn2O7

Đây là phương pháp làm thoáng đơn giản trực tiếp với vật liệu lọc là cát Mangan hay cát đen

1.3.2 Khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất

Khử sắt bằng các chất oxi hóa mạnh

Các chất oxi hóa mạnh thường sử dụng để khử sắt là: Cl2, KMnO4, O3, Khi cho các chất oxi hóa mạnh vô nước, phản ứng diễn ra như sau:

-7-

2Fe2+ + Cl2 + 6H2O 2Fe(OH)3 + 2 Cl- + 6H+

3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O 3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+

Trong phản ứng, để oxi hóa l mg Fe2+, cần 0,63 mg Cl2 hoặc 0,94 mg KMnO4

và đồng thời độ kiềm của nước giảm

Khử sắt bằng vôi

Phuơng pháp khử sắt bằng vôi thường không đứng độc lập, mà kết hợp với các quá trình làm ổn định nước hoặc làm mềm nước Khi cho vôi vô nước, quá trình khử sắt xảy ra theo 2 trường hợp:

+ Trường hợp nước có oxi hòa tan: vôi được coi như chất xúc tác, phản ứng

khử sắt diễn ra như sau:

4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 4Fe(OH)3 + 4Ca(HCO3)2 Sắt (III) hydroxyt được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại hoàn toàn trong bể lọc

+ Trường hợp nước không có oxi hòa tan: khi cho vôi vô nước, phản ứng diễn ra:

Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 FeCO3 + CaCO3 + H2O

Sắt được khử đi dưới dạng FeCO3

1.3.3 Quá trình lọc cơ học với các vật liệu hấp phụ tự nhiên

Phương pháp lọc cơ học nhằm mục đích loại trừ các tạp chất hữu cơ, chất bẩn

và vi sinh trong nước Một trong những phương pháp đã có từ xưa là dùng than, cát

và sỏi như là một vật liệu hấp phụ trong một bể lắng hay nhiều bể lắng lọc liên hoàn Đây là phương pháp xử lý nước rất cơ bản và có giá thành thấp nhất Người ta

đã đúc kết rằng, nếu làm đúng kỹ thuật bằng phương pháp lọc chậm này thì hàm lượng chất cặn bẩn giảm trên 90% và lượng vi khuẩn cũng có thể được khử trùng nhờ màng sinh học tự nhiên đạt đến mức 95-98% Ở vùng quê ngày trước, người dân còn dùng cói, rơm rạ hay đay làm vật liệu lọc có tác dụng lọc các chất lơ lửng, phù sa khá hiệu quả

Ngoài ra, sắt có thể được hấp phụ lên bề mặt các vật liệu dạng hạt, hạt sét hay vật liệu gốc xenlulose như: than hoạt tính, sét khoáng, caolanh, bentonite, boxit,

-8-

nhựa tổng hợp trao đổi ion, than xương, mùn cưa, bột giấy

Mỗi loại vật liệu có những đặc tính và yêu cầu chi phí khác nhau Hiệu suất xử

lý của vật liệu phụ thuộc vào:

 pH: có nhiều ý kiến khác nhau về khoảng pH tối ưu cho quá trình hấp phụ, tuy nhiên các nhà khoa học công nhận rằng nếu pH > 9 thì hiệu suất hấp phụ bằng 0, pH tối ưu cho quá trình xử lý tại giá trị pH từ 5,5 - 9

 Các ion cạnh tranh: khi trong nước có các ion S042-, Cl- , CO32- và các chất hữu cơ thì hiệu quả xử lý sắt cũng thay đổi đáng kể

 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc

1.3.4 Các phương pháp khử sắt khác

a Khử sẳt bằng trao đổi Cation

Một trong những phương cách để làm mềm nước là bỏ vôi hay xút vào bồn xử

lý nước thô nhưng gặp nhiều trở ngại là cặn bị lắng đọng, phải thường xuyên theo dõi để làm sạch và rút bớt cặn đi

Những phương pháp xử lý nước bằng cơ học hay hóa chất không xử lý được ion vô cơ hay những tạp chất hữu cơ không bị phân hủy bởi tác động của vi sinh Để loại bỏ những tạp chất này thông thường người ta dùng những hạt nhựa trao đổi ion

xử lý

Trao đổi ion là một quá trình hóa lý trong đó một ion của nước nguồn trao đổi với một ion của chất trao đổi ion Thành phần chủ yếu của chất trao đồi ion là nhựa tổng hợp

Một loạt các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion khử sắt như:

 Ảnh hưởng của pH

 Ảnh hưởng của các ion cạnh tranh

 Ảnh hưởng của các loại chất trao đổi ion

Cho nước đi qua lớp vật liệu có khả năng trao đổi ion Các ion H+ và

Na+ có trong thành phần lớp vật liệu lọc, sẽ trao đổi với các ion Fe2+ có trong nước Kết quả Fe2+ sẽ được giừ lại trong lớp vật liệu lọc Lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi ion gọi là Cationit, thường được sử dụng cho nguồn nước có chứa Fe2+ ở dạng

-9-

hòa tan

2[K]Na + Fe(HCO3)2 [K]2Fe + 2NaHCO3

2[K]H + Fe(HCO3)2 [K]2Fe + H2CO3

Cationit có thể tái sinh bằng NaCl, HC1 NaCl+ [K]2F [K]Na + FeC12

HC1+ l [K]2Fe [K]H + Fe + FeCl2

- Khử sắt bằng phương pháp điện phân

Dùng các cực âm bằng sắt, nhôm, cùng các cực dương bằng đồng, bạch kim và dung điện cực hình ống trụ hay hình sợi thay cho điện cực phẳng

Một dòng nước thô đi vào tiếp tuyến với bề mặt màng rồi chia thành hai dòng, nước sạch chảy ra theo dòng vuông góc với bề mặt màng, nước bẩn và cặn chảy ra ngoài Tuy nhiên công nghệ này đòi hỏi chi phí lớn, khó áp dụng đối với những nhà máy xử lý nước tập trung với quy mô công suất lớn

-10-

Bảng 1.1: Phân tích các phương pháp xử lý các dạng sắt khác nhau dựa vào dấu

hiệu của nguồn nước

Đặc trưng nguồn nước Dạng

sắt

Phương pháp xử

Nguồn nước trong và

không màu Sau thời

gian, tạp chất màu nâu

lại xuất hiện và đọng lại

dưới đáy

Sắt hòa tan

Thông gió làm thoáng/ Lọc

Quá trình xử lý phụ thuộc nhiệt

độ

Làm mềm nước Độ cứng phải được tính toán và

việc tăng nồng độ sodium phải được kiểm tra Hệ thống kín Clo hóa/ Lọc

nước

Yêu cầu thường xuyên quan trắc và áp suất nước phải thích hợp Yêu cầu thời gian tiếp xúc

đủ dài Ozon hóa Chi phí cao Tách Phương pháp này không loại

bỏ được cặn bẩn và có thể yêu cầu loại bỏ hóa chất sử dụng và sắt

Nước cấp xuất hiện cặn

hay có màu đỏ hoặc

vàng Sau thời gian, tạp

chất đọng phía dưới

Sắt không hòa tan, nước có màu đỏ

Lọc/ Managnese Greensand

Yêu cầu áp suất thích hợp

Clo hóa/ Lọc nước

Yêu cầu thường xuyên quan trắc và áp suất nước phải thích hợp Yêu cầu thời gian tiếp xúc

-11-

đủ dài Lọc xúc tác Hạn chế về kiềm, chất hữu cơ,

Clorination Sản phẩm clorine thích hợp

Phương pháp yêu cầu thời gian tiếp xúc dài cho quá trình xử lý thích hợp

Nước có màu vàng hay

nâu hoặc không màu

Hợp chất hữu

cơ sắt

Làm mềm nước Trước hết xử lý chất hữu

cơ(than hoạt tính) Kiểm tra các chỉ tiêu ăn mòn

Lọc/ Managnese Greensand

Yêu cầu áp suất thích hợp

Ozon hóa Chi phí cao

Nguồn: Illinois Department of Public Health, tháng 8/1999, http://www.idph.state.il.us/envhealth/factsheets/ỉonF.S.htm

Mỗi phương pháp xử lý có những ưu, nhược điểm riêng, tùy thuộc vào đặc trưng nguồn nước và các yếu tố khác nhau lựa chọn phương án xử lý thích hợp

-12-

Bảng 1.2: Đánh giá ưu - nhược điểm của các phương pháp xử lý nguồn nước cấp

có hàm lượng Fe cao và khả năng áp dụng của mỗi phương pháp

Hiệu quả xử lý cao

Đảm bảo chất lượng nước

cấp cho sinh hoạt

Vận hành đơn giản

Tốn nhiều diện tích đất Nhiều chi phí đầu tư và thiết bị đi kèm

Thường chỉ áp dụng tại các nhà máy cấp nước tập trung

Khó vận hành

Thường chỉ áp dụng tại các nhà máy cấp nước tập trung

Phương

pháp trao

đổi ion

Hiệu quả xử lý cao

Thích hợp với nhu cầu nguồn

nước đạt chất lượng cao

Chi phí đầu tư và vận hành lớn

Khó vận hành

Chỉ hiệu quả khử nước ngầm hàm lượng sắt thấp Phương

pháp điện

phân

Hiệu quả xử lý cao Chi phí xử lý rất cao

Đòi hỏi tay nghề và kỹ thuật vận hành cao

Thường chỉ áp dụng tại các nhà máy cấp nước tập trung

Phương

pháp vi

sinh vật

Hiệu quả xử lý cao Vận hành phức tạp

Khó khăn trong việc lựa chọn, tìm kiếm vi sinh vật thích hợp Phải khử trùng nước sau xử lý

Chưa được nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam

Chi phí đầu tư ban đầu thấp

Quá trình lọc diễn ra nhanh

chóng và hiệu quả cao

Tốn thời gian khai thác vật liệu

Có khả năng áp dụng cao và hiệu quả cho các vùng nông thôn Việt Nam

Nguồn : Tổng hợp các tài liệu tham khảo

-13-

Nhận xét: Qua bảng phân tích, nhận thấy rằng những phương pháp lọc và tiệt

trùng nước kể trên, đối với mỗi hệ thống hay công nghệ, thiết bị xử lý nước đều có

ưu, nhược điểm riêng, không có công nghệ nào là hoàn hảo có thể giải quyết tất cả các vấn đề về hiệu quả, điều kiện kinh tế, xã hội để tạo ra nguồn nước an toàn mà thông thường là một sự kết hợp của nhiều kỹ thuật khác nhau, theo từng công đoạn riêng biệt để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh Tuy nhiên, sử dụng vật liệu hấp phụ đơn giản như Laterite đá ong có khả năng xử lý cao với nhiều kim loại nặng như Cd, Cr, Cu, Fe, Mn…và hiệu quả về mặt kinh tế cho các vùng nông thôn

1.4 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ [1,10]

1.4.1 Một số khái niệm

Hấp phụ là sự tích luỹ chất trên bề mặt phân cách pha (khí/rắn, lỏng/rắn,

khí/lỏng, lỏng/lỏng) Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ, còn chất được tụ tập trên bề mặt phân cách pha được gọi là chất bị hấp phụ Nếu

chất bị hấp phụ xuyên qua lớp bề mặt đi sâu vào bên trong chất hấp phụ giống như

sự hoà tan thì hiện tượng này gọi là sự hấp thụ Hấp phụ và hấp thụ gọi chung là hấp

thu Quá trình ngược với quá trình hấp phụ được gọi là sự giải hấp Lượng chất hấp

phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt hoặc trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ

gọi là đại lượng hấp phụ kí hiệu q Đối với một hệ xác định, đại lượng hấp phụ phụ

thuộc vào nồng độ C trong thể tích hoặc áp suất P và nhiệt độ T

Đường biểu diễn q = f(P) hoặc q = f(C) ở T = const được gọi là đường đẳng

nhiệt hấp phụ Lượng nhiệt giải phóng ra trong quá trình hấp phụ được gọi là nhiệt hấp phụ

Phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi để làm sạch nước thải khỏi các hợp chất hữu cơ hòa tan (có chứa hàm lượng rất nhỏ) sau khi xử lý sơ bộ Những chất hữu cơ này không phân hủy được bằng con đường sinh học và thường có độc tính cao

-14-

1.4.2 Phân loại quá trình hấp phụ

1.4.2.1 Dựa vào bản chất của lực hấp phụ

Dựa bản chất của lực hấp phụ người ta chia hấp phụ thành hai loại: hấp phụ vật

lý và hấp phụ hoá học

- Hấp phụ vật lý

Lực hấp phụ là lực tương tác yếu giữa các phân tử (lực Van Der Waals) nên nhiệt hấp phụ vật lý thường bé (khoảng 2 - 10 kcal/mol) Quá trình này là quá trình thuận nghịch và ít có tính chọn lọc

- Hấp phụ hoá học

Hấp phụ hoá học xảy ra là do sự tương tác rất đặc thù của liên kết hóa học nên nhiệt hấp phụ hoá học thường lớn (10 - 200 kcal/mol) Quá trình này là quá trình bất thuận nghịch

1.4.2.2 Dựa vào sự chuyển động tương đối của phân tử chất lỏng so với phân tử chất hấp phụ

Dựa vào sự chuyển động tương đối của phân tử chất lỏng so với phân tử chất hấp phụ người ta chia hấp phụ thành hai loại: hấp phụ bể và hấp phụ cột

- Hấp phụ bể

Hấp phụ bể không có sự chuyển động tương đối của phân tử chất lỏng so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với nhau

Cách thực hiện: Cho chất hấp phụ vào dung dịch chứa chất cần hấp phụ và

khuấy trộn trong một thời gian để quá trình hấp phụ đạt tới trạng thái cân bằng Để cho chất hấp phụ (rắn) trong dung dịch lắng xuống, rồi lọc lấy phần dung dịch đem

đi xác định nồng độ của chất cần hấp phụ còn lại

- Hấp phụ cột

Hấp phụ cột có sự chuyển động tương đối của phân tử chất lỏng so với phân tử chất hấp phụ

Cách thực hiện: Dồi chất hấp phụ vào cột, rồi cho dung dịch chứa chất cần hấp

phụ chảy qua cột hấp phụ Điều chỉnh tốc độ chảy thích hợp để quá trình hấp phụ

mà nó cần

Trong trường hợp tổng quát quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:

+ Sự khuếch tán chất đến bề mặt vật liệu hấp phụ (khuếch tán ngoài)

+ Sự di chuyển chất đến mao quản của vật liệu hấp phụ (khuếch tán trong) + Hình thành đơn lớp chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ

1.4.4 Phương trình mô tả quá trình hấp phụ

-16-

Tại vùng P hay C có giá trị bé, q tỉ lệ bậc nhất với C hoặc P

Tại vùng có P hay C cao, đường biểu diễn gần như song song với trục hoành,

sự hấp phụ đã bão hoà và q = qmax không phụ thuộc vào P hay C nữa

Ở T2 > T1, thì đường hấp phụ T2 nằm dưới đường T1, điều đó chứng tỏ khi tăng nhiệt độ thì sự hấp phụ giảm Tuy nhiên ở P hay C rất lớn, đường T2 cũng tiệm cận với đường T1 và qmax không phụ thuộc vào nhiệt độ

Đường hấp phụ Frendlich giống như một nhánh của parabol nên đã đề nghị công thức thực nghiệm sau:

m là khối lượng vật hấp phụ (gam)

p là áp suất cân bằng của khí quanh vật hấp phụ (atm)

phương pháp đồ thị ( lqC

n lqk

+ Mỗi tâm hấp phụ chỉ liên kết với một và chỉ một tiểu phân bị hấp phụ

+ Các tiểu phân bị hấp phụ không tương tác với nhau

+ Bề mặt hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên tất cả các tâm là như nhau

Phương trình hấp phụ Langmuir: q = qmax

Ở áp suất thấp, khi bP  1 ta có: q = qmax.bP

Ở áp suất cao, khi bP  1 ta có: q = qmax (ứng với sự hấp phụ cực đại)

Quá trình hấp phụ tạo ra trên bề mặt một “phức chất hấp phụ” nằm cân bằng với phân tử chưa bị hấp phụ Thời gian lưu lại của tiểu phân bị hấp phụ trên những trung tâm hấp phụ phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ càng cao thì sự hấp phụ càng giảm, thời gian lưu càng thấp Giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ tồn tại một cân bằng động

-18-

1.4.4.3 Thuyết hấp phụ đa phân tử của BET

Trong một số trường hợp, sự hấp phụ không chỉ tạo đơn lớp phân tử mà thành nhiều lớp phân tử chồng lên nhau

Tác giả Brunauer- Emmett- Teller (BET) bằng con đường nhiệt động học đưa

ra phương trình hấp phụ đẳng nhiệt dựa trên quan điểm sau:

+ Hấp phụ vật lí tạo thành nhiều lớp đơn phân tử

+ Lớp hấp phụ đầu tiên được hình thành do kết quả tương tác Van Der Waals giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ Các lớp tiếp theo được hình thành do sự ngưng tụ khí Nhiệt hấp phụ của lớp thứ hai và tất cả các lớp tiếp theo thì bằng nhau

và bằng nhiệt hoá lỏng của khí, còn nhiệt hấp phụ của lớp thứ nhất thì lại khác Các phân tử chất bị hấp phụ chỉ tương tác với các phân tử trước hoặc sau nó

mà không tương tác với các phân tử bên cạnh

0 m m

P.C.V

)1C(C.V

1)PP(V

1.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Nhìn chung tốc độ của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ, bản chất, cấu trúc của chất bị hấp phụ và phụ thuộc vào loại mao quản, kích thước mao quản, cấu trúc và tính chất của chất hấp phụ

1.4.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Trong quá trình hấp phụ, năng lượng tự do bề mặt hệ giảm (∆G < 0), đồng thời

độ hỗn độn của hệ giảm do các tiểu phân của chất bị hấp phụ lên trên bề mặt chất hấp phụ được sắp xếp một cách có trật tự (∆S < 0) Suy ra ∆G = ∆H – T.∆S < 0

-19-

∆H < 0 Vậy quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt (phù hợp với thực nghiệm,

hấp phụ vật lý hay hấp phụ hóa học đều tỏa nhiệt)

Vì sự hấp phụ tỏa nhiệt nên theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng, lượng chất

hấp phụ phải giảm khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên, ở vùng nhiệt độ thấp, hấp phụ hóa

học thường diễn ra chậm, khi nhiệt độ tăng thì tốc độ hấp phụ hóa học xảy ra nhanh

hơn nên có thể tốc độ hấp phụ chung tăng theo

1.4.5.2 Ảnh hưởng của tính tương đồng

Những chất có bản chất giống nhau tương tác mạnh hơn so với tương tác giữa

các chất có bản chất khác nhau Các chất có tính phân cực cao tương tác với nhau

tốt hơn so với tương tác giữa các chất phân cực và các chất không phân cực Các

chất cùng không phân cực tương tác mạnh hơn so với các cặp chất khác Tương tác

giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ có tính cộng hợp, tức là lực tương tác chung

bằng tổng các lực tương tác thành phần Hệ hấp phụ ở trong nước bị chi phối bởi

tính ưa nước và kị nước, đó là hệ quả của tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp

phụ với nước

1.4.5.3 Ảnh hưởng của pH

Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi pH của môi trường Sự thay đổi

pH của môi trường dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ, các nhóm

chức bề mặt, thế oxi hóa khử, dạng tồn tại của hợp chất đó (đặc biệt đối với hợp chất

có độ phân cực cao, các chất có tính lưỡng tính, axit yếu, bazơ yếu)

Đối với chất hấp phụ rắn: hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa các

nguyên tử trên bề mặt chất rắn với các chất tan, trên cơ sở lực hút tĩnh điện, lực định

hướng và lực tán xạ

Trong trường hợp lực tương tác đủ mạnh có thể gây ra liên kết hóa học hoặc

tạo phức trao đổi ion Lực tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ càng mạnh

thì khả năng hấp phụ càng lớn, khả năng giữ các chất bị hấp phụ trên bề mặt vật rắn

càng cao

-20-

Nhìn chung, pH thường ảnh hưởng đến điện tích của vật liệu hấp phụ cũng như

điện tích của chất bị hấp phụ Đối với các chất hữu cơ, khi pH giảm xuống thông

thường quá trình hấp phụ tăng lên

1.4.5.4 Ảnh hưởng của diện tích bề mặt chất rắn

Diện tích bề mặt chất rắn đóng vai trò quan trọng đối với khả năng hấp phụ

của một hệ: diện tích càng lớn, khả năng hấp phụ càng cao

Diện tích bề mặt của một chất rắn được định nghĩa là tổng toàn bộ diện tích

của chất rắn đó trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ (m2/g)

Đối với các chất rắn có nguồn gốc khác nhau thì diện tích bề mặt đó là khác nhau

1.5 Phổ hấp phụ phân tử UV – VIS (Trắc quang phân tử) [10]

1.5.1 Giới thiệu phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS

Đây là phương pháp dựa trên sự so sánh cường độ màu của dung dịch nghiên

cứu với cường độ màu của dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ xác định

Cơ sở lý thuyết của phương pháp là định luật Lambert – Beer:

I = Io 10-ε.l.C (1.5)

→ Mật độ quang: D = lg (Io/I) = ε.l.C Hay: D = K.C (1.6)

Trong đó: Io: cường độ ánh sáng tới; I: cường độ ánh sáng ló; ε: hệ số tắt phân

tử hay hệ số hấp thụ phân tử, ε là đại lượng xác định, phụ thuộc vào bản chất của

chất hấp thụ, vào bước sóng λ của bức xạ đơn sắc và vào nhiệt độ; l: bề dày của

cuvet đựng dung dịch, đo bằng cm; C: nồng độ dung dịch, đo bằng mol/l; D: mật độ

Cuvet đựng dung dịch

Detectơ Chỉ thị

kết quả

Hình 1.3: Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang

Sơ đồ máy so màu quang điện hai chùm tia: