Nghiên cứu và chế tạo mô hình xử lý nước nhiễm arsenic quy mô hộ gia đình cho người dân nghèo vùng nông thôn VIỆT NAM

Hình 3.9: Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của vật liệu IICGs Hình 3.10: Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của vật liệu IICGs Hình 3.10: Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XỬ LÝ

NƯỚC NHIỄM ARSENIC QUY MÔ HỘ GIA ÐÌNH

CHO NGƯỜI DÂN NGHÈO VÙNG NÔNG THÔN VIỆT NAM

Mã số: T2013-44TÐ

S K C0 0 5 3 8 0

Chủ nhiệm đề tài : ThS HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XỬ LÝ

NƯỚC NHIỄM ARSENIC QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH

CHO NGƯỜI DÂN NGHÈO VÙNG NÔNG THÔN

VIỆT NAM

Mã số: T2013-44TĐ

Chủ nhiệm đề tài : ThS HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG

TP.HCM, THÁNG 11 NĂM 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CN HOÁ HỌC VÀ THỰC PHẨM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XỬ LÝ

NƯỚC NHIỄM ARSENIC QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH

CHO NGƯỜI DÂN NGHÈO VÙNG NÔNG THÔN

VIỆT NAM

Mã số: T2013-44TĐ

Chủ nhiệm đề tài : ThS HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG

Thành viên đề tài : ThS NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT

TP.HCM, THÁNG 11 NĂM 2013

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU

1 Nguyễn Thị Minh Nguyệt Khoa CN Hóa học và Thực phẩm, trường ĐH

SPKT TPHCM

Mục lục

Danh mục các hình

Danh mục các bảng

Danh sách chữ viết tắt

Thông tin kết quả nghiên cứu

MỞ ĐẦU 1

I Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước 1 I.1 Tổng quan nghiên cứu ngoài nước 1

I.2 Tổng quan nghiên cứu trong nước 2

II Tính cấp thiết 4

III Mục tiêu của nghiên cứu 5

IV Nội dung nghiên cứu 5

IV.1 Nghiên cứu điều chế vật liệu Ceramic – Fe (IICGs) 5

IV.2 Thiết kế và vận hành mô hình xử lý nước ngầm quy mô hộ gia đình 5

V Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

V.I Đối tượng của nghiên cứu 5

V.II Phạm vi nghiên cứu 5

VI Ý nghĩa của nghiên cứu 5 V.I Ý nghĩa khoa học 5

V.II Ý nghĩa thực tiễn 6

VII Phương pháp nghiên cứu 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 7

1.1 LÝ THUYẾT VỀ ARSEN VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ARSEN 7 1.1.1 Khái niệm về Arsen 7

1.1.2 Ảnh hưởng của ô nhiễm Arsen đối với sức khoẻ con người 8

1.1.3 Cơ chế hấp phụ Arsenic 10

1.1.4 Một số phương pháp xử lý Arsen phổ biến ở Việt Nam 10

1.1.5 Công nghệ xử lý Arsen ở khu vực Đông Nam Á 15

1.2 LÝ THUYẾT HẤP PHỤ 18

1.2.1 Hiện tượng hấp phụ 18

1.2.2 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 19

1.2.3 Phương pháp hấp phụ động 21

1.3 NGUYÊN VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 23

1.3.1 Đất sét 23

1.3.2 Vỏ trấu 25

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 27

2.1 THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU HẤP PHỤ ARSENIC 27 2.1.1 Hóa chất và thiết bị thí nghiệm 27

2.1.2 Nguyên vật liệu 29

2.1.3 Quy trình điều chế vật liệu IICGs 29

2.1.4 Đánh giá hiệu quả của vật liệu 31

2.2 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ ARSENIC VÀ MỘT SỐ ION KIM LOẠI HOÁ TRỊ 2 BẰNG MÔ HÌNH QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH 33 2.2.1 Thiết kế mô hình xử lý Arsen quy mô hộ gia đình 33

2.2.2 Đánh giá hiệu quả xử lý Arsenic và một số ion kim loại hoá trị 2 của vật liệu IICGs 34

2.2.3 Đánh giá hiệu quả xử lý Arsenic và một số ion kim loại hoá trị 2 của mô hình xử lý Arsen quy mô hộ gia đình 34

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 35

3.1 VẬT LIỆU ĐIỀU CHẾ IICGs 35 3.1.1 Đặc tính vật liệu 35

3.1.2 Hiệu quả hấp phụ của vật liệu 37

3.2 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ ARSENIC VÀ MỘT SỐ ION KIM LOẠI HOÁ TRỊ 2 BẰNG MÔ HÌNH QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH 44 3.2.1 Đánh giá hiệu quả xử lý Arsenic và một số ion kim loại hoá trị 2 của vật liệu IICGs 44

3.2.2 Đánh giá hiệu quả xử lý Arsenic và một số ion kim loại hoá trị 2 của mô hình xử lý Arsen quy mô hộ gia đình 48

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 51

I Kết luận 51

II Kiến nghị 52

PHỤ LỤC 3 iv

QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU CERAMIC iv

TÀI LIỆU THAM KHẢO v PHỤ LỤC

THUYẾT MINH ĐỀ TÀI

BÀI BÁO ĐĂNG TRÊN TẠP CHÍ

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Cơ chế hấp phụ Arsen của sắt hydroxyt

Hình 1.2: Sơ đồ xử lý Arsenic cho trạm xử lý nước tập trung

Hình 1.3 : Mô hình xử lý Arsenic quy mô hộ gia đình bằng phương pháp keo tụ với

FeCl3 kết hợp với (a) lọc cát; (b) lọc cát và hấp phụ sắt bao cát Hình 1.4: Xử lý Arsenic bằng bể lọc cát Kachan

Hình 1.5: Mô hình xử lý Arsen DPHE-Danida

Hình 1.6: Mô hình xử lý Arsenic kết hợp với giếng bơm tay được thiết kế bởi Viện

Nước và sức khoẻ cộng đồng Ấn độ Hình 1.7: Mô hình xử lý Arsenic bằng hạt Ferric Hydroxide

Hình 1.8: Mô hình xử lý Arsenic ba tầng

Hình 2.1 : Quy trình điều chế vật liệu IICGs (Iron impregnanted ceramic granules) Hình 2.2: Mô hình cột đánh giá độ bền của IICGs

Hình 2.3: Mô hình xử lý Arsenic quy mô hộ gia đình

Hình 3.1: SEM X200 của mẫu đất sét, đất sét hoạt hóa, IICGs

Hình 3.2: SEM X800 của mẫu đất sét, đất sét hoạt hóa, IICGs

Hình 3.3 : SEM X1300 của mẫu đất sét, đất sét hoạt hóa, IICGs

Hình 3.4 : SEM IICGs

Hình 3.5: Diện tích bề mặt đo bằng phương pháp BET của đất sét chưa hoạt hóa và

đất sét đã hoạt hóa Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ sắt (III) nitrate tẩm

Hình 3.7: Ảnh hưởng của kích thước hạt IICG đối với hiệu quả hấp phụ Arsenic Hình 3.8: Ảnh hưởng của kích thước trấu đối với hiệu quả hấp phụ

Hình 3.9: Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của vật liệu IICGs

Hình 3.10: Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của vật liệu IICGs

Hình 3.10: Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich của IICGs Hình 3.11: Độ bền vật liệu IICGs

Hình 3.12: Kết quả khả năng hấp phụ Arsenic của vật liệu tẩm và không tẩm Fe3+ Hình 3.13: Hiệu quả hấp phụ Arsenic của cột lọc cát, cột ceramic và cột IICGs

Hình 3.14: Hiệu quả hấp phụ sắt(II) và sắt tổng của cột lọc cát, cột ceramic và cột

IICGs Hình 3.15: Hiệu quả hấp phụ ion kim loại hoá trị 2 của cột lọc cát, cột ceramic và cột

IICGs Hình 3.16: Hiệu quả xử lý Arsen của mô hình quy mô hộ gia đình so với từng cột Hình 3.17: Hiệu quả xử lý sắt của mô hình quy mô hộ gia đình so với từng cột

Hình 3.18: Hiệu quả xử lý ion kim loại hoá trị 2 của mô hình quy mô hộ gia đình

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh ưu nhược điểm của các công nghệ xử lý Arsen

Bảng 1.2: Thành phần của đất sét

Bảng 1.3: Thành phần của vỏ trấu

Bảng 1.4: Thành phần oxide của tro vỏ trấu vô cơ

Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng trong quá trình điều chế vật liệu IICGs

Bảng 2.2: Các thiết bị sử dụng trong quá trình điều chế vật liệu IICGs và phân tích

chỉ tiêu Bảng 2.3: Phương pháp phân tích các chỉ tiêu

Bảng 2.4: Ký hiệu vật liệu IICGs

Bảng 3.1: Kết quả tính toán đường đẳng nhiệt hấp phụ

Bảng 3.2 : Các hằng số đẳng nhiệt hấp phụ Arsenic lên IICGs

Bảng 3.3 : Tóm tắt kết quả mô hình cột phòng thí nghiệm

Bảng 3.4: Hiệu quả hấp phụ của IICGs

Bảng 3.5: Tóm tắt kết quả khảo sát hiệu quả xử lý của mô hình vật liệu IICGs

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET

2 Phương pháp xác định đặc điểm bề mặt vật liệu SEM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Khoa CN Hóa học & Thực phẩm

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày 20 tháng 11 năm 2013

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung

Tên đề tài: Nghiên cứu và chế tạo mô hình xử lý nước nhiễm Arsenic quy mô hộ

gia đình cho người dân nghèo vùng nông thôn Việt Nam

Mã số: T2013-44TĐ

Chủ nhiệm: Hoàng Thị Tuyết Nhung

Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: 08/2013-11/2014

2 Mục tiêu

Nghiên cứu mô hình xử lý nước sinh hoạt từ nguồn nước ngầm nhiễm Arsenic với chi phí thấp để có thể ứng dụng cho những vùng nông thôn nghèo Mô hình có thể loại bỏ các chất rắn lơ lửng trong nước, Arsenic, kim loại nặng (điển hình như Cu, Pb,

Zn, Cd)

3 Tính mới và sáng tạo

Nguyên vật liệu thân thiện, không gây ô nhiễm môi trường, giá thành rẻ có thể ứng dụng được ở những vùng nông thôn nghèo Việt Nam

4 Kết quả nghiên cứu

Mô hình xử lý Arsenic quy mô hộ gia đình cho thấy hiệu quả xử lý Arsenic, ion

kim loại hoá trị 2 (sắt, đồng, chì, kẽm, cadimi) rất cao, thấp hơn rất nhiều so với tiêu

chuẩn cho phép của WHO và tiêu chuẩn Việt Nam

5 Sản phẩm

Mô hình xử lý nước nhiễm Arsenic quy mô hộ gia đình

Báo cáo phân tích

Bài báo đang trên tạp chí Khoa học và Công nghệ

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp

dụng:

Sản phẩm nghiên cứu là có thể ứng dụng cho công nghệ xử lý nước sinh hoạt và

tiền xử lý cho quá trình xử lý nước ăn uống ở những khu vực nước ngầm bị nhiễm

Arsenic

TS Võ Thị Ngà Hoàng Thị Tuyết Nhung

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: A STUDY ON HOUSEHOLD-SCALE SUPPLY WATER

Code number: T2013-44TĐ

Coordinator: Nhung Thi – Tuyet Hoang

Implementing institution: Hochiminh City university of Technical Education Duration: from August 2012 to November 2013

2 Objective(s):

The goal of this study the effect of influent concentrations of arsenic and dissolved metals in a household-scale drinking water treatment unit using iron impregnated ceramic granules (IICGs) on their removal efficiencies The dissolved metals employed

in this study are arsenic, cadmium, copper, iron, lead and zinc

3 Creativeness and innovativeness:

To decrease cost of investment and operation of arsenic treatment, locally available materials-based adsorbents was synthesized and studied for arsenic removal in this present work

4 Research results:

A combination of the slow sand and the IICGC in the HDWT was observed to significantly increase the removal efficiency of the whole system for the above dissolved metals The effluent concentrations of most of the dissolved metals after the HDWT were about ten times lower than those after the IICGC alone and much lower than the Vietnamese standard for drinking water.

5 Products:

Household-scale supply water treatment unit

Results

Paper published on Vietnam academy of Science and Technology

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

Household-scale supply water treatment unit was definitely suitable for the income villagers in rural areas of Vietnam and other developing countries

low-MỞ ĐẦU

I.1 Tổng quan nghiên cứu ngoài nước

Một trong những vấn đề người dân vùng nông thôn gặp phải đối mặt là nồng độ Arsenic và kim loại nặng trong nước ngầm, nguồn cung cấp nước uống Nhiều nhà nghiên cứu điều chế ra các vật liệu hấp phụ Arsenic và kim loại nặng trong nước ngầm

từ các vật liệu thân thiện môi trường cũng như những vật liệu có hiệu quả cao nhưng điều chế phức tạp Trong đó, đặc biệt sắt nổi tiếng về khả năng hấp phụ arsenic, vì vậy

có rất nhiều nghiên cứu về khả năng xử lý Arsen của sắt Nhiều nghiên cứu cho thấy, các hạt nano sắt có khả năng hút từ tính nguyên tử Arsen trong nước, tuy nhiên, để tạo

được các hạt nano này thì tốn kém Những hạt gỉ sắt này có thể điều chế bằng gỉ sắt và

axit béo, có thể lấy được từ dầu olive và dầu dừa Sau đó, nghiên cứu [30] cho thấy khả năng loại bỏ arsen có thể đạt 97% nếu kết hợp mạt sắt với cát Mạt sắt là các Ion sắt hóa trị 0, khử Arsen vô cơ thành dạng kết tủa cùng với sắt thông qua quá trình đồng kết tủa,

và hấp phụ vào hạt rắn hydroxyte sắt

Trước những kết quả đạt được, nhiều nhà nghiên cứu [36] đã kết hợp sắt và cát

bằng cách phủ một lớp hydroxyte sắt bao lên hạt cát Phương pháp này cần phải thêm quá trình tiền xử lý để tránh tắc nghẽn cho lớp vật liệu lọc phía sau Tuy nhiên, hydroxyte sắt bao trên cát không có độ bền cao, vì thế nghiên cứu [24,32] gắn được những hạt nano sắt trong polymer và nhựa trao đổi cation có thể làm tăng khả năng bám của sắt hơn Hiệu quả khử arsen của các vật liệu được gắn kết nano sắt là không phủ nhận nhưng hầu hết lúc này là vật liệu đắt tiền, do đó, các nhà nghiên cứu tìm kiếm các vật liệu rẻ tiền nhưng vẫn có độ rỗng xốp cao để các hạt nano sắt có thể kết bám vào

như mạt sắt composite [11], sắt bao hạt sứ [23] nano sắt phủ silic [28] and Fe3+ kết tinh

trong than hoạt tính [18]

Nghiên cứu của Luis Cumbal và các cộng sự (2005)[24] sử dụng hạt nhựa cation

và anion để gắn kết Fe(III) lên tạo thành vật liệu hấp phụ Arsenic đạt hiệu quả rất cao Chỉ khoảng 10% nồng độ Arsenic đầu vào (nồng độ Arsenic đầu vào là 100 ppb) theo dòng ra khi bed volumn đạt 10.000 Ngoài ra, vật liệu hấp phụ Arsenic này dễ dàng

được hoàn nguyên với NaCl 2-3%

2

Với Liangjie Donga và các cộng sự (2009) [23], hiệu quả xử lý As(III) và As(V)

sau 2 tuần là 97 – 99% (từ 50 g/l xuống dưới 5g/l) ở lưu lượng 4,1 lít/h và pH bình thường Kết quả nghiên cứu đạt được nhờ vào vật liệu sắt bao sứ, tạo phức pha rắn Fe – Si: (1) tạo thành hạt sứ có độ xốp cao bằng cách trộn đất sét với bột khoai tây sấy ở

110oC trong 2h và nung ở 600oC trong 3h; (2) thêm 30% (w/w) bột sắt zero kích thước 70m vào khuấy; và (3) sấy ở 110oC và nung ở 500oC Kết quả độ rỗng xốp của hạt đạt

70 – 80%, diện tích bề mặt BET 212 m2/g, thể tích lỗ rỗng 0,28 cm3/g

Trong khi đó, Nan Chen và các cộng sự (2011) [29] sử dụng Al3+ và Fe3+ phủ hạt ceramic để khử Flo Đất sét, zeolite và bột được trộn với tỉ lệ 1:1:1 được điều chế theo phương pháp nung thông thường, và cho dung dịch AlCl3 và dung dịch FeCl3 vào ngâm trong 2h Sau đó hỗn hợp được sấy ở 105oC trong 24h, nung ở 600oC trong 1h Hạt ceramic được tạo có màu nâu đỏ, đường kính 2 – 3 mm, diện tích bề mặt 50,69 m2/g, thể tích lỗ rỗng là 0,1108 ml/g, lỗ xốp từ 6 – 80 nm (73,23%) Hạt có khả năng hấp phụ Flo là 1,79 mg/g ở nhiệt độ phòng, pH có thể dao động 4 – 9 Quá trình hấp phụ tốt tuân theo cả định luật Freundlich và Langmuir

Hatam Godini và các cộng sự (2011) [18]: FeCl3.6H2O cho vào than hoạt tính kích thước < 1mm được lắc ở 200 rpm trong 6h, sau đó lọc và sấy khô ở 50oC trong 96h, rửa bằng nước cất và sấy lần nữa Sản phẩm được hấp phụ acid humic ở nồng độ

30 mg/l, pH =5, t = 28oC đạt 60,72 mg/g so với mẫu than hoạt tính thông thường là 40,56 mg/g Khả năng hấp phụ ở nồng độ 80 mg/l đạt 80,13 mg/g

Mặc dù có nhiều nghiên cứu vật liệu hấp phụ Arsen nhưng vấn đề ô nhiễm arsen trong nước ngầm vẫn là mối lo chung của tất cả mọi người, đặc biệt là những người dân nghèo Vì hầu hết các công nghệ xử lý arsen đều (1) đòi hỏi giá thành cao để đạt hiệu quả cao; (2) giá thành thấp thì không đảm bảo nồng độ arsenic thấp hơn tiêu chuẩn cho phép; (3) vận hành phức tạp nên người dân khó duy trì trong thời gian dài

I.2 Tổng quan nghiên cứu trong nước

Việt Nam cũng là một trong những nước có khu vực nhiễm arsen nhiều trên thế giới Do đó, những nhà nghiên cứu ở Việt Nam cũng đưa ra nhiều công nghệ giải quyết vấn đề ô nhiễm arsen ở vùng nông thôn Việt Nam, nơi chưa tiếp cận với nguồn nước sạch Sau nhiều năm thực hiện chương trình nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn, nguồn nước ngầm trở thành nguồn nước sinh hoạt chính của người dân vùng nông

thôn Việt Nam Điều này là do chất lượng nước ngầm thường ổn định hơn chất lượng nước bề mặt Trong nước ngầm, hầu như không có các hạt keo hay cặn lơ lửng, các chỉ tiêu vi sinh trong nước ngầm cũng tốt hơn so với nguồn nước khác [6] Do đó, số lượng người dân sử dụng nguồn nước ngầm ở Việt Nam tăng đáng kể, hiện nay khoảng

35 triệu người, trong đó 17 triệu sử dụng nguồn nước này cho nông nghiệp [25] Tuy nhiên điều này càng làm cho người dân có nguy cơ tiếp xúc với nguồn nước nhiễm arsen hơn Khoảng 40% giếng nước ngầm nhiễm arsenic > 100 ppb [25] Hiện nay trên 30% dân số sinh sống trong khu vực nông thôn các tỉnh Thái Bình, Nam Định, Hà Nam, Hà Tây (cũ) sử dụng nguồn nước giếng bị nhiễm Arsen để phục vụ sinh hoạt [3] Nồng độ Asen trong nước vượt từ 5 - 20 lần nồng độ cho phép theo tiêu chuẩn 1329/2002/BYT Ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBCSL), nguy cơ về ô nhiễm Arsen đã được cảnh báo (nồng độ Arsenic dao động từ 1 – 845 ppb) [27] An Phú là huyện biên giới của tỉnh An Giang, tiếp giáp với Campuchia, có trên 800 giếng khoan nhiễm As

(30 – 86ppm) [9] Đồng Tháp có nhiều khu vực nồng độ Arsenic cao đến 321 ppb

Trong khi đó, người dân lại có thói quen sử dụng trực tiếp nước giếng nên việc nhiễm bệnh do Arsen gây ra đang là vấn đề nhức nhối Một số người dân sử dụng các biện pháp bằng cát, đá, sỏi theo phương pháp truyền thống, thô sơ nên không xử lý triệt để được Asen, từ đó Asen theo đường nước sinh hoạt, tiếp xúc qua da và hệ tiêu hóa, tích

tụ trong cơ thể gây ra nhiều bệnh tật nguy hiểm

Do đó, rất nhiều nghiên cứu về công nghệ xử lý Arsen trong nước ngầm Một số

mô hình xử lý Arsenic ở Việt Nam hiện nay lợi dụng vào quá trình cộng kết –hấp phụ của Fe3+ hydroxyt [10], nồng độ Arsenic đầu ra đạt dưới mức tiêu chuẩn cho phép của

Bộ Y tế với nồng độ đầu vào 0,5 mg/l khi nồng độ Fe3+ trong nước khoảng 5mg/l Tuy nhiên, cần phải đảm bảo lượng Fe3+ trong bể lọc cát, điều này sẽ rất khó trong trường hợp nước ngầm không nhiễm Fe, hoặc quá trình oxy hóa thực hiện không tốt Nghiên cứu [5] cũng nghiên cứu mối quan hệ giữa pH và hiệu quả hấp phụ Arsenic của Fe3+hydroxyt; tỉ lệ Fe/As cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xử lý Arsenic Nghiên cứu cho thấy khi tỉ lệ Fe/As > 30 thì Arsenic trong nước đầu ra đạt dưới 10 ppb

Một số nhà khoa học Việt Nam đã có những nghiên cứu về vật liệu hấp phụ Arsenic như thiết bị sử dụng vật liệu nano [3] với quy mô hộ gia đình và cụng dân cư Hiệu quả xử lý của thiết bị thấp hơn tiêu chuẩn cho phép của Bộ Y tế là 0,01 mg/l) với

Ô nhiễm Arsen trong nước uống của hầu hết các khu vực trên thế giới đang là vấn

đề quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu (Ravenscroft, 2005; Bundschuh, 2009) Hiện nay

ở Việt Nam, Arsen có mặt trong nước ngầm nhiều khu vực phía Bắc (Hà Nam, Hà Nội,

Hà Tây, Hưng Yên,…) và vùng đồng bằng sông Cửu Long (An Giang, Đồng Tháp,

Long An,…) vượt mức cho phép đối với sức khỏe của con người (UNICEF và Viện Vệ

sinh y tế công cộng, 2006) Người dân lại có thói quen sử dụng trực tiếp nước giếng nên

việc nhiễm bệnh do Arsen gây ra đang là vấn đề nhức nhối Ước tính có khoảng 21% dân số Việt Nam sử dụng nước uống không đảm bảo chất lượng, có hàm lượng chất vô

cơ trong nước cao [4] Với nồng độ Arsenic > 50ppm phơi nhiễm trong thời gian dài có thể gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng về da, ung thư da, gan, thận và phổi, ngoài ra có thể gây suy giảm chức năng của mạch máu ở chân và bàn chân (bệnh…), cũng có thể gây bệnh tiểu đường, huyết áp, rối loạn chức năng sinh sản [15] Trong khi đó, nhiều nơi ở khu vực sông Hồng, nồng độ Arsenic có thể lên tới 100 ppm [34] so với tiêu chuẩn cho phép của tổ chức y tế thế giới (WHO) nồng độ Arsenic trong nước uống chỉ được 10 ppm [15] thì nồng độ ở một số nơi gấp hơn 10 lần Trước tình hình đó, nghiên cứu tìm ra giải pháp thích hợp để loại bỏ arsen ra khỏi nước ngầm là điều bức thiết cần thực hiện Cho đến nay có rất nhiều công trình nghiên cứu xử lý arsen, tuy nhiên hiệu quả đạt không cao, lượng arsen còn lại sau xử lý vẫn còn vượt mức giới hạn cho phép Một số nghiên cứu xử lý arsen đạt hiệu quả cao như công nghệ nano thì lại đắt tiền, không phù hợp với đời sống người dân vùng nông thôn Việt Nam

Vì lý do trên, tôi đề suất công nghệ xử lý arsen quy mô hộ gia đình từ sản phẩm điều chế từ Ceramic và hydroxyt sắt (III) Dựa trên khả năng hút dính Arsen của sắt và cấu trúc rỗng xốp của Ceramic đã hoạt hóa bằng vỏ trấu để tạo thành sản phẩm hấp phụ arsen Do hai chất trên rất phổ biến và rẻ tiền nên là sản phẩm phù hợp với các mô hình

xử lý arsen cấp hộ gia đình

III Mục tiêu của nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình xử lý nước sinh hoạt từ nguồn nước ngầm nhiễm Arsenic với chi phí thấp để có thể ứng dụng cho những vùng nông thôn nghèo Cụ thể:

- Mô hình xử lý có thể loại bỏ các chất rắn lơ lửng trong nước

- Mô hình xử lý có thể hấp phụ Arsenic, kim loại nặng (Fe, Cu, Pb, Zn, Cd)

IV.1 Nghiên cứu điều chế vật liệu Ceramic – Fe (IICGs)

- Hoạt hóa diện tích bề mặt riêng của vật liệu

- Gắn Fe3+ lên bề mặt vật liệu ceramic

- Đánh giá hiệu quả hấp phụ của vật liệu IICGs

IV.2 Thiết kế và vận hành mô hình xử lý nước ngầm quy mô hộ gia đình

- Mô hình lọc cát chậm; Mô hình IICGs và tết hợp 2 mô hình

V.I Đối tượng của nghiên cứu

- Nguồn nước giả lập có hàm lượng Arsen, một số ion kim loại hóa trị 2 điển hình được sử dụng để nghiên cứu vật liệu trong phòng thí nghiệm

- Vật liệu ceramic-Fe từ đất sét và vỏ trấu, sau đó tẩm Fe(NO3)3

V.II Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nguồn nước giả lập phòng thí nghiệm và nguồn nước ngầm tại hộ gia đình Quận 9, TpHCM

- Nghiên cứu không đánh giá sự tương tác của các thành phần Arsenic và ion kim loại hóa trị 2

V.I Ý nghĩa khoa học

- Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình điều chế đến đặc tính cấu trúc và hoạt tính xúc tác quang của vật liệu ceramic hoạt hóa tẩm sắt (III) Nitrate, từ

đó giúp xác định những điều kiện tối ưu để nâng cao hiệu quả khử Arsenic và các ion hóa trị 2 của vật liệu

- So sánh được hiệu quả hấp phụ arsenic và ion kim loại hoá trị 2 trong mô hình lọc cát, mô hình lọc IICGs

6

- Đánh giá được hiệu quả của mô hình kết hợp giữa quá trình oxy hoá bằng khí, cột lọc cát chứa Fe(OH)3 và cột hấp phụ IICGs

V.II Ý nghĩa thực tiễn

- Nguyên liệu điều chế ceramic- Fe (IICGs) là đất sét là nguyên liệu rất phổ biến

và rẻ tiền ở những vùng nông thôn Việt Nam

- Phương pháp điều chế đơn giản, có thể hợp tác với những lò gạch địa phương

để chế tạo ra vật liệu với số lượng nhiều và rẻ

- Nguyên vật liệu thân thiện, không gây ô nhiễm môi trường

- Vật liệu gắn Fe(III) có khả năng hút các ion Arsenic và ion kim loại hóa trị 2 vào bề mặt và bên trong vật liệu rất cao

- Mô hình vận hành đơn giản

VII Phương pháp nghiên cứu

VII.1 Phương pháp tổng quan tài liệu

Đây là phương pháp tiếp cận với nhiều tài liệu khác nhau nhằm tiếp thu kiến thức

lý thuyết, khai thác thông tin hay học tập kinh nghiệm của những công trình nghiên cứu, những ứng dụng thực tiễn đã triển khai, những ưu nhược điểm,… có liên quan đến vấn đề ta đang nghiên cứu Các kiến thức này có thể khai thác từ các nguồn: sách vở, báo chí, kinh nghiệm, internet, nghiên cứu của những người đi trước,…

VII.2 Phương pháp nghiên cứu mô hình

Thiết kế, chế tạo và ứng dụng các mô hình ở quy mô phòng thí nghiệm (lab-scale)

để nghiên cứu hiệu quả xử lý nước ngầm thông qua hệ thống lọc cát chậm, Ceramic hoạt hóa bề mặt, với sự đánh giá các thông số đầu vào và đầu ra

VII.3 Phương pháp thí nghiệm và phân tích

Các phương pháp phân tích tính chất hoá lý của ceramic hoạt hóa: Diện tích bề mặt riêng (BET), hình thái bề mặt (SEM)

Các phương pháp phân tích Arsenic, sắt(II), sắt tổng, một số ion kim loại,…

VII.4 Phương pháp thống kê, xử lý số liệu

Sử dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích và tối ưu hoá quá trình thí nghiệm Đồng thời sử dụng các phương pháp thống kê toán học để xử lý số liệu nghiên cứu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1.1 Khái niệm về Arsen

Arsen là nguyên tố rất cần thiết cho hoạt động phát triển nhưng đồng thời cũng là một chất rất độc hại đối với cơ thể người và các sinh vật khác

Arsen là nguyên tố hình thành tự nhiên trong vỏ trái đất Trong vỏ trái đất, arsen là nguyên tố khá phổ biến chiếm 0,0001% tổng các nguyên tố Arsen nguyên chất là kim loại màu xám nhưng dạng này ít tồn tại trong thiên nhiên Thường thì Arsen tồn tại dưới dạng các hợp chất, các khoáng vật: đá thiên thạch, realgal (AsS), Orpiment (As2S3), Asenolite (As2O3), Asenopirite (FeAs, FeAsS, AsSb)

Phân bố của Arsen trong tự nhiên

Trong tự nhiên Arsen tồn tại trong các thành phần môi trường đất, nước, không khí, sinh học và có liên quan chặt chẽ tới các quá trình địa chất, địa hóa, sinh địa hóa Các quá trình này sẽ làm cho Arsen nguyên sinh có mặt trong một số thành tạo địa chất (các phân vị địa tầng, mangan, các biến đổi nhiệt dịch và quặng hóa sunphua chứa Arsen) tiếp tục phân tán hay tập trung gây ô nhiễm môi trường sống

- Trong không khí hàm lượng arsen trong không khí của thế giới là khoảng 0,007 - 2,3 (ng/m3) (tồn tại cả arsen vô cơ và arsen hữu cơ)

- Trong nước mưa, arsen có mặt tồn tại dạng arsenic là chủ yếu

- Trong nước ngầm, hàm lượng arsen phụ thuộc rất nhiều vào tính chất và trạng thái của môi trường địa hóa, dạng arsen tồn tại chủ yếu trong nước ngầm là: H2AsO4- (trong môi trường axit đến gần trung tính): HAsO42- (trong môi trường kiềm) Một số kết quả phân tích mẫu nước ngầm cho thấy hàm lượng arsen (III) có thể lên tới trên 50% trong tổng số arsen, còn lại arsen (V), chưa tìm thấy các hợp chất arsen bị metyl hoá

- Trong nước mặt tồn tại cả arsen vô cơ và arsen hữu cơ với các hợp chất chủ yếu: metylarsonis, dimetylarsinic, các arsenic, asenate

- Trong môi trường có sự hoạt động của vi sinh vật (đặc biệt là môi trường yếm khí), người ta còn tìm thấy các dạng metylarsen

8

Trọng tõm của bài này là về cỏc kết quả nghiờn cứu tỡnh trạng ụ nhiễm Asen trong nước, mà chủ yếu là nước ngầm

1.1.2 Ảnh hưởng của ụ nhiễm Arsen đối với sức khoẻ con người

Từ xa xưa, arsen ở dạng hợp chất vụ cơ đó được sử dụng làm chất độc (thạch tớn), một lượng lớn arsen loại này cú thể gõy chết người, mức độ nhiễm nhẹ hơn cú thể thương tổn cỏc mụ hay cỏc hệ thống của cơ thể Arsen cú thể gõy 19 loại bệnh khỏc nhau, trong đú cú cỏc bệnh nan y như ung thư da, phổi

Sự nhiễm độc Asen được gọi là arsenicosis Đú là một tai họa mụi trường đối với

sức khỏe con người Những biểu hiện của bệnh nhiễm độc Arsen là chứng sạm da

(melanosis), dày biểu bỡ (kerarosis), từ đú dẫn đến hoại thư hay ung thư da, viờm răng,

khớp Tổ chức Y tế thế giới đó hạ thấp nồng độ giới hạn cho phộp của arsen trong nước cấp uống trực tiếp xuống 10 g/l USEPA và cộng đồng chõu Âu cũng đó đề xuất hướng tới đạt tiờu chuẩn arsen trong nước cấp uống trực tiếp là 2-20 g/l Nồng độ giới hạn của arsen theo tiờu chuẩn nước uống của Đức là 10 g/l từ thỏng

Con đường xõm nhập chủ yếu của arsen vào cơ thể là qua con đường thức ăn, ngoài

ra cũn một lượng nhỏ qua nước uống và khụng khớ

Cơ chế gõy độc của arsen là nú tấn cụng vào cỏc nhúm sulfuahydryl của enzym làm cản trở hoạt động của cỏc enzyme:

AsO43- cú tớnh chất tương tự PO43- thay thế ion PO43- gõy ức chế enzym, ngăn cản tạo ra ATP là chất sản sinh ra năng lượng

[enzym]

SHSH

CH2

protein5S

(Đihidrolipoic axit -Protein) (Phức bị thụ động hóa)

Nếu có mặt AsO43- thì quá trình phụ xảy ra, tạo thành 1-arseno, 3-photphat glyerat, nên sự tạo thành 1,3- diphotphat glyxerat không xảy ra, do đó không hình thành và phát triển ATP

Asen(III) ở nồng độ cao làm đông tụ các protein do arsen(III) tấn công vào liên kết

với AsO32- nên không còn để liên kết với nhóm – SH trong enzym

Hàm lượng As trong cơ thể người khoảng 0.08-0.2 ppm, tổng lượng As có trong người bình thường khoảng 1,4 mg As tập trung trong gan, thận, hồng cầu, homoglobin

và đặc biệt tập trung trong não, xương, da, phổi, tóc Hiện nay người ta có thể dựa vào hàm lượng As trong cơ thể con người để tìm hiểu hoàn cảnh và môi trường sống, như hàm lượng As trong tóc nhóm dân cư khu vực nông thôn trung bình là 0,4-1,7 ppm, khu vực thành phố công nghiệp 0,4-2,1 ppm, còn khu vực ô nhiễm nặng 0,6-4,9 ppm

1,3-diphotphatglyxerat

®­îc ATP)1-Aseno, 3- photphat

CH2 OPO3

2-Tù thñy ph©n t¹o ra(ng¨n c¶n viÖc t¹o

ra ATP)

SH

10

Độc tính của các hợp  arsenat  Arsenit chất As đối với sinh vật dưới nước tăng dần theo dãy Arsen hợp chất As hữu cơ Trong môi trường sinh thái, các dạng hợp chất As hóa trị (III) có độc tính cao hơn dạng hóa trị (V) Môi trường khử là điều kiện thuận lợi để cho nhiều hợp chất As hóa trị V chuyển sang As hóa trị III Trong những hợp chất As thì H3AsO3 độc hơn H3AsO4 Dưới tác dụng của các yếu tố oxi hóa trong đất thì H3AsO3 có thể chuyển thành dạng H3AsO4 Thế oxy hóa khử, độ pH của môi trường và lượng kaloit giàu Fe3+…, là những yếu tố quan trọng tác động đến quá trình oxy hóa - khử các hợp chất As trong tự nhiên Những yếu tố này có ý nghĩa làm tăng

hay giảm sự độc hại của các hợp chất As trong môi trường sống

1.1.3 Cơ chế hấp phụ Arsenic

a Cơ chế hấp phụ Arsen của bể lọc cát

Một số nghiên cứu trước đây cho thấy bể lọc cát là công trình xử lí Arsen chính thực hiện quá trình xử lí thông qua cơ chế chính là sự hấp phụ của cát lên As(V) Trong cát chứa SiO2 có các phản ứng sau dẫn đến khả năng hấp phụ của cát đối với asen: Si–OH + H3AsO4  Si – HAsO4(3-n-1)- + H2O + (2-n)H+

b Cơ chế hấp phụ Arsen của sắt

As(V) hòa tan ở pH > 3, tồn tại ở dạng anion (AsO43- , HAsO42- , H2AsO4-) và do đó

có thể được loại bỏ dễ dàng bởi hydroxyt sắt bám trên bề mặt ceramic

Hình 1.1: Cơ chế hấp phụ Arsen của sắt hydroxyt

1.1.4 Một số phương pháp xử lý Arsen phổ biến ở Việt Nam

Một số công nghệ điển hình để xử lý arsen trong nước ngầm thông dụng như sau:

Keo tụ - Kết tủa

Đây là phương pháp xử lý đơn giản nhất, kết hợp kết tủa - lắng - lọc đồng thời với

quá trình xử lý sắt và/hoặc mangan có sẵn trong nước ngầm tự nhiên

Phương pháp này cho phép loại bỏ 50 - 80% Asen có trong nước ngầm mạch sâu Nghiên cứu gần đây của CETASD và Viện Công nghệ Môi trường Liên bang Thụy Sĩ cho thấy đối với các hộ gia đình sử dụng giếng khoan đơn lẻ, nơi có hàm lượng sắt cao trong nước ngầm, mô hình làm thoáng nước ngầm bằng cách phun mưa trên bề mặt bể lọc cát (lọc chậm), phổ biến ở các hộ gia đình hiện nay, cho phép loại bỏ tới 80% Asen trong nước ngầm cùng với việc loại bỏ sắt và mangan Những nghiên cứu này cũng đã chỉ rằng hàm lượng Asen trong nước sau khi xử lý bằng phương pháp trên phụ thuộc nhiều vào thành phần các hợp chất khác trong nước nguồn và trong đa số trường hợp, không cho phép đạt nồng độ Asen thấp dưới tiêu chuẩn, do vậy cần tiếp tục xử lý bằng các phương pháp khác

Keo tụ bằng hóa chất

Phương pháp này sử dụng hóa chất để kết lắng Arsen Phương pháp keo tụ đơn giản nhất là sử dụng vôi sống (CaO) hoặc vôi tôi (Ca(OH)2) để khử Arsen Hiệu suất đạt khoảng 40 - 70 % Keo tụ bằng vôi đạt hiệu suất cao với pH trên 10,5 cho phép đạt hiệu suất khử Arsen cao, với nồng độ Arsen ban đầu khoảng 50 µg/l Có thể sử dụng để khử Asen kết hợp với làm mềm nước Tuy vậy, phương pháp này khó cho phép đạt được nồng độ Arsen trong nước sau xử lý xuống tới 10 mg/l Một hạn chế của phương pháp

sử dụng vôi là tạo ra một lượng cặn lớn sau xử lý Ngoài ra còn có thể dùng phương pháp keo tụ, kết tủa bằng Sunfat nhôm hay Clorua sắt

Hình 1.2: Sơ đồ xử lý Arsenic cho trạm xử lý nước tập trung [2]

12

Nghiên cứu [2] (hình 1.2) sử dụng phương pháp keo tụ bằng PAC sau khi làm thoáng bằng giàn mưa đã đem lại hiệu quả xử lý Arsenic trong nước ngầm rất cao Với nồng độ Arsenic đầu vào là 435 mg/l thì kết quả đạt 100% ở đầu ra

Oxi hóa

Oxi hóa bằng các chất oxi hóa mạnh: Các chất oxi hóa được phép sử dụng trong cấp nước như Clo, KMnO4, H2O2, Ozon

Oxi hóa điện hóa: Có thể xử lý nước chứa Arsen bằng phương pháp dùng điện cực

là hợp kim và áp dụng cho các hộ sử dụng nước quy mô nhỏ

Oxy quang hóa: Nhóm các nhà khoa học Ôxtrâylia đã phát minh ra công nghệ loại

bỏ Asenite (As(III)) và cả các chất hòa tan khác như Sắt, Phosphorus, Sulfur, khỏi nước bằng cách đưa chất oxy hóa và chất hấp phụ quang hóa: (chiếu tia cực tím vào nước rồi sau đó lắng) Chất oxy hóa có thể là oxy tinh khiết hoặc sục khí Chất hấp phụ quang hóa có thể là Fe(II), Fe(III), Ca(II) Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia cực tím Phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ trong phòng và ánh sáng thấp, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp Do As(III) bị oxy hóa thành As(V) với tốc độ rất chậm, có thể

sử dụng các chất oxy hóa mạnh như Cl2, H2O2 hoặc O3 Phần lớn chi phí xử lý chính là các chất oxy hóa này

Hấp phụ

Hấp phụ bằng nhôm hoạt hóa : Nhôm hoạt hóa được sử dụng có hiệu quả để xử lý

nước có hàm lượng chất rắn hòa tan cao Tuy nhiên, nếu trong nước có các hợp chất của Selen, Florua, Clorua, Sunffat với hàm lượng cao, chúng có thể cạnh tranh hấp phụ Nhôm hoạt hóa có tính lựa chọn cao đối với As(V), vì vậy mỗi lần xử lý có thể giảm tới

5 - 10 % khả năng hấp phụ Cần hoàn nguyên và thay thế vật liệu lọc khi sử dụng

Hấp phụ bằng oxyt nhôm hoạt hóa: Công ty Project Earth Industries (PEI Inc.) đã

chế tạo ra một loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có nguồn gốc từ nhôm, có khả năng tách Arsen ở 2 dạng tồn tại phổ biến ở trong nước là As (III) và As(V) Vật liệu hấp phụ này

có đặc tính hóa học, diện tích bề mặt và độ rỗng cao, có khả năng hấp phụ cao hơn 10 lần so với các vật liệu thông thường khi có mặt các Ion cạnh tranh Cường độ hấp phụ nhanh, cho phép đạt hiệu suất cao, lượng Asen sau xử lý đạt dưới mức giới hạn tìm thấy của thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm

Hấp phụ bằng vật liệu Laterite: Laterite là loại đất axit có màu đỏ, rất phổ biến ở

các vùng nhiệt đới Thành phần chủ yếu của Laterite là các Hydroxyt Sắt và Nhôm, hoặc các oxyt ngậm nước của chúng, và một lượng nhỏ các hợp chất của Mangan, Titan 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 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 Tại Ấn Độ, người ta đã nghiên cứu thực nghiệm để xử lý Asenic với nồng

độ cao trong nước ngầm bằng laterite theo tỷ lệ 5 g laterite/100 ml nước Hiệu suất xử

lý đạt 50 - 90 % Hiệu suất có thể đạt cao hơn khi xử lý laterite trước bằng dung dịch HNO3 0,01 M

Ngoài ra, còn nhiều vật liệu hấp phụ khác đã và đang được nghiên cứu ứng dụng để loại bỏ Arsen trong nước ngầm

Kết hợp phương pháp oxi hóa, hấp phụ - lọc với trồng cây hay oxi hóa với lọc cát và trồng cây Một số loài thực vật như thủy trúc (Cyperus Alternifolius hay cây Thalia dealbata) hoặc khoai nước Colocasia Esculenta cũng cho hiệu suất loại bỏ Arsen khỏi nước

Trao đổi Ion

Đây là quá trình trao đổi giữa các ion trong pha rắn và pha lỏng, mà không làm thay đổi cấu trúc của chất rắn Có thể loại bỏ các ion Asenate (As (V)) trong nước bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-) Loại vật liệu trao đổi ion này có ưu điểm là có thể sử dụng dung dịch muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi ion đã bão hòa Arsen Nồng độ Arsen sau xử lý có thể hạ thấp tới dưới 2 ppb Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tương đối phức tạp, ít có khả năng áp dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ

Công nghệ lọc

Công nghệ lọc qua lớp vật liệu lọc là cát: Asen được loại bỏ khỏi nước trong bể

lọc cát là nhờ sự đồng kết tủa với Fe(III) trên bề mặt của các hạt cát và không gian giữa các lỗ rỗng trong lớp cát Fe(II) ở dạng hòa tan trong nước, sẽ bị oxi hóa bởi oxi của không khí để tạo thành Fe(III) Hydroxyt Fe(III) sẽ được hấp phụ trên bề mặt các hạt cát và tạo thành một lớp hấp phụ mỏng Arsen (V) và Arsen(III) trong nước sẽ hấp phụ

14

vào lớp Fe(OH)3 đó và bị giữ lại ở lớp vật liệu lọc Kết quả, nước ra khỏi bể lọc đã được giải phóng khỏi sắt và Arsen

Công nghệ lọc màng: Sử dụng các màng bán thấm, chỉ cho phép nước và một số

chất hòa tan đi qua, để làm sạch nước Công nghệ lọc màng cho phép có thể tách bất cứ loại chất rắn hòa tan nào ra khỏi nước, kể cả Asen Tuy nhiên, phương pháp này thường rất đắt và do đó thường được sử dụng trong những trường hợp cần thiết, bắt buộc, khó

áp dụng các phương pháp khác như khử muối, loại bỏ một số ion như Arsen Có nhiều loại màng lọc được sử dụng như vi lọc, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách, siêu lọc và lọc nano

Hiệu suất và chi phí cho quá trình lọc màng phụ thuộc vào chất lượng nước nguồn

và yêu cầu chất lượng nước sau xử lý Thông thường, nếu nước nguồn càng bị ô nhiễm, yêu cầu chất lượng nước sau xử lý càng cao, thì màng lọc càng dễ bị tắc bởi các tạp chất bẩn, cặn lắng và cặn sinh vật (tảo, rêu, vi sinh vật )

Bảng 1.1: So sánh ưu nhược điểm của các công nghệ xử lý Arsen

- Đơn giản, quá trình diễn ra nhanh (oxy hoá hoá học)

- Oxy hoá cả những chất ô nhiễm khác và vi sinh vật

- Chỉ loại bỏ một phần Arsenic

- Sử dụng như quá trình tiền xử lý

Keo tụ, tạo bông

- Tạo bùn chứa hoá chất

- Khả năng loại bỏ Arsenic thấp

- Đòi hỏi quá trình tiền xử lý bằng oxy hoá

Hấp phụ: nhôm

hoạt tính; sắt bao

- Phương pháp sử dụng những chất đã được thương mại hoá

- Không lý tưởng cho nước nhiễm nhiều anion (như phosphate)

cát; nhựa trao đổi

- Giá thành vận hành và đầu tư cao

- Vận hành và duy trì phức tạp

- Tạo dòng nhiễm Arsen đậm đặc

1.1.5 Công nghệ xử lý Arsen ở khu vực Đông Nam Á

a Mô hình xử lý Arsenic của Ali và các cộng sự (2001)[26]

Hình 1.3 : Mô hình xử lý Arsenic quy mô hộ gia đình bằng phương pháp keo tụ với

FeCl3 kết hợp với (a) lọc cát; (b) lọc cát và hấp phụ sắt bao cát

Mô hình (hình 1.3a) được thiết kế đơn giản, chỉ gồm 2 thùng đặt trên dưới Thùng

bên trên chứa nước nhiễm Arsen được khuấy trộn đều với FeCl3 và KMnO4, sau đó để lắng trong 30 – 60 phút Nước sau đó được chảy xuống qua lớp vải lọc để giữ lại những hạt keo sắt và chảy tiếp qua lớp cát lọc dày 20 cm Mô hình này xử lý nước nhiễm Arsen hiệu quả với Arsenic đầu vào < 50 ppb

Với mô hình (hình 1.3b), mô hình cũng được xử lý sơ bộ như ở hình 1.3a nhưng sau

khi qua lớp các, nước tiếp tục được đưa qua lớp vật liệu sắt bao cát để hấp phụ Arsenic

16

Điều này làm cho khả năng xử lý của mô hình tăng cao, có thể xử lý nồng độ arsenic lên đến 300 ppb

b Bể lọc cát Kanchan

Mô hình xử lý Arsenic đơn giản được phát triển bởi Ngai và Murcott từ năm 2001

đến 2006 ở Nepal Mô hình sử dụng những vật liệu địa phương đơn giản, rẻ tiền và dễ vận hành Bể lọc gồm 2 phần chính : bể phân phối nước phía trên chứa 5-6 kg đinh rỉ sắt và phần dưới là cát lọc

Hình 1.4: Xử lý Arsenic bằng bể lọc cát Kachan [35]

c Mô hình DPHE-Danida

Hình 1.5: Mô hình xử lý Arsen DPHE-Danida [13]

Nước nhiễm Arsenic được cho vào bồn khuấy trộn 30s với chất tạo bông và chất oxy hoá và để lắng qua đêm Sau đó nước được dẫn qua bể lọc cát và thu nước ở bên trên

d Mô hình xử lý Arsenic liên tục

Mô hình được cải thiện từ mô hình DPHE-Danida bằng cách bổ sung thêm bể lắng nên nước có thể vào ra liên tục Quá trình này sử dụng phèn nhôm làm chất keo tụ

Hình 1.6: Mô hình xử lý Arsenic kết hợp với giếng bơm tay được thiết kế bởi Viện

Nước và sức khoẻ cộng đồng Ấn độ [12]

e Mô hình xử lý Arsenic bằng hạt Ferric Hydroxide [31]

Hạt ferric hydroxide (AdsorpAs®) có hiệu quả hấp phụ cao với arsenate, arsenite và phosphate trong nước tự nhiên Khả năng hấp phụ đạt 45g/ kg đối với arsenic và 16 g/

kg đối với phosphorus [31]

Hình 1.7: Mô hình xử lý Arsenic bằng hạt Ferric Hydroxide [31])

f Mô hình xử lý Arsenic ba tầng [13]

Hình 1.8: Mô hình xử lý Arsenic ba tầng [13]

Mô hình gồm 3 bình sứ nung xếp theo chiều đứng Bình trên cùng chứa 3 kg sắt vụn

và 2 kg cát phủ trên sắt vụn Bình giữa chứa 2 kg cát, 1 kg than củi và 2 kg gạch vụn

mô hình này có thể lý 97% arsenic trong nước

Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng gọi là nhiệt hấp phụ Bề mặt càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn

Có 2 quá trình hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học

a Hấp phụ vật lý

Là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực hấp phụ có bản chất vật lí và không hình thành liên kết hóa học, được thể hiện bởi các lực liên kết yếu như liên kết Van Der Waals, lực tương tác tĩnh điện hoặc lực phân tán London

Khi chất bị hấp phụ và chất hấp phụ tương tác với nhau bằng lực Van der Waals thì nhiệt hấp phụ có giá trị thấp và chất bị hấp phụ dễ bị giải hấp phụ

b Hấp phụ hoá học

Là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực có bản chất hóa học

Hấp phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao với tốc độ hấp phụ chậm Nhiệt hấp phụ hóa học khoảng 80-400 kJ/mol, tương đương với lực liên kết hoá học Hấp phụ hóa học thường kèm theo sự hoạt hoá phân tử bị hấp phụ nên còn được gọi là hấp phụ hoạt hoá Hấp phụ hóa học là giai đoạn đầu của phản ứng xúc tác dị thể

Chất hấp phụ là chất có bề mặt thực hiện hấp phụ Chất hấp phụ thường ở dạng rắn Chất bị hấp phụ là chất bị hút, dính lên bề mặt của chất hấp phụ

Lực liên kết trong quá trình hấp phụ có thể là lực hút tĩnh điện, lực định hướng, lực tán xạ, trong trường hợp lực đủ mạnh có thể gây ra liên kết hóa học hay tạo phức, trao đổi ion

Trong hấp phụ chúng ta chú ý đến các đặc điểm sau:

- Khả năng hấp phụ của một chất hấp phụ cho biết khối lượng chất hấp phụ cần thiết phải sử dụng hay thời gian hoạt động của sản phẩm thu được cho một chu kỳ hoạt động

- Tốc độ hấp phụ cho phép định lượng quy mô, độ lớn của thiết bị để đạt

tới chất lượng của sản phẩm như mong muốn

- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ:

 Bản chất của chất hấp phụ

 Nhiệt độ môi trường

 Áp suất

 Nồng độ chất hấp phụ, chất bị hấp phụ

 Thời gian tiếp xúc của các pha

Trong quá trình hấp phụ, khả năng hấp phụ của một chất rắn tăng lên khi nồng độ

chất hấp phụ lớn lên (nhiệt độ không đổi) Ta xét hệ hai cấu tử, gọi khả năng hấp phụ

của một chất là qe, nồng độ chất hấp phụ là C, ta có phương trình biểu diễn mối quan hệ

giữa là qe và C:

qe = f (C) (1) Nếu gọi Co và Ce là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái ban đầu và trạng thái cân

bằng (mg/l), V là thể tích dung dịch (lít), m là khối lượng chất hấp phụ (g), thí nghiệm

ở trạng thái tĩnh ta có thể xác định :

V m

C C

e

) ( 

1.2.2 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

Trong nghiên cưu hấp phụ, thể tích (V) của chất bị hấp phụ ứng với áp suất cân

bằng (P) của khí trên bề mặt rắn (chất hấp phụ) tại một nhiệt độ không đổi (T=const)

Mối quan hệ V = f(P) ở T = const được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ hay phương

trình hấp phụ đẳng nhiệt

a Mô hình đẳng nhiệt Langmuir

Xuất phát từ kinh nghiệm, hấp phụ Langmuir được định nghĩa như sau:

x





1 (3) Trong đó:

x/m: Khối lượng chất bị hấp phụ trên 1 đơn vị khối lượng chất hấp phụ (mg/g)

- Quá trình hấp phụ là động, tức là quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ có tốc độ bằng nhau khi đạt trạng thái cân bằng Tốc độ hấp phụ tỉ lệ với các vùng chưa bị chiếm chỗ (tâm hấp phụ), tốc độ nhả hấp phụ tỉ lệ thuận với các tâm đã bị hấp phụ chiếm chỗ

qm: là dung lượng hấp phụ cực đại ứng với trường hợp tất cả các tâm trên bề mặt chất hấp phụ đã bị chiếm (mg/g)

kL: hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg)

Ce: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha lỏng tại thời điểm cân bằng (mg/L)

Biểu thức trên được gọi là phương trình Langmiur được xây dựng cho hệ hấp phụ khí rắn mô tả mối quan hệ giữa qe (dung lượng hấp phụ) và Ce (nồng độ chất bị hấp phụ còn lại)

b Mô hình đẳng nhiệt Freundlich

Đường hấp phụ đẳng nhiệt theo phương trình Freundlich là một đường cong hấp phụ đẳng nhiệt dựa trên giả thiết bề mặt chất hấp phụ là không đồng nhất, nhiệt hấp phụ

vi phân không thay đổi khi độ che phủ thay đổi và có sự tương tác lẫn nhau giữa các phân tử bị hấp phụ

Freundlich cũng nhận thấy rằng, trong một khoảng nồng độ nhất định thì dung lượng hấp phụ tăng theo quy luật hàm mũ

Biểu thức phương trình:

(7)

Hoặc : lo g q e  lo g (X )  lo g K  1 lo gC

m n (8) Trong đó :

qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

Tuy là một phương trình theo kinh nghiệm nhưng phương trình Freundlich được

sử dụng có hiệu quả để mô tả các số liệu cân bằng hấp phụ trong môi trường nước, đặc biệt là hệ than hoạt tính và chất hữu cơ

22

Trong hấp phụ động, chất bị hấp phụ vận chuyển thành dòng qua chất hấp phụ đứng yên nên nồng độ chất bị hấp phụ luôn luôn thay đổi theo thời gian Khi nghiên cứu theo phương pháp hấp phụ động, dung dịch chứa chất bị hấp phụ được liên tục đi qua cột chứa chất hấp phụ (cột hấp phụ) Khi đó, chất tan sẽ bị giữ lại trên cột hấp phụ Tiến hành đo nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch trong quá trình đi vào và đi ra khỏi cột hấp phụ Sau khi hấp phụ bão hoà, nồng độ chất tan trong dung dịch đi ra khỏi thiết bị sẽ bằng nồng độ chất tan trong dung dịch đi vào

Các thông số cấu trúc đặc trưng cho cột gồm:

- Lưu lượng Q, là thể tích nước chảy qua cột trên một đơn vị thời gian

- Thể tích tầng chất rắn V, gồm cả thể tích tầng chất rắn và không gian rỗng giữa các hạt

- Thời gian tiếp xúc theo tầng rỗng là thời gian một lượng thể tích chất lỏng bằng thể tích của chất rắn chảy qua với lưu lượng Q cho trước

Cơ chế hấp phụ trong điều kiện động (phương pháp cột) cũng như trong điều kiện tĩnh (phương pháp gián đoạn), song hấp phụ động có nhiều ưu điểm hơn về công nghệ

và quản lý như:

- Cho hiệu suất xử lý tin cậy và ổn định

- Khi hoàn nguyên không phải đưa vật liệu hấp phụ ra khỏi bể lọc do đó cho phép dễ dàng tự động hóa và điều khiển từ xa

- Cho phép sử dụng tối đa dung tích vật liệu hấp phụ khi cho nước chảy qua

1.2.4 Quá trình chuyển khối trong cột

Đặc trưng cho quá trình này là đường cong thoát Đường cong này đạt được từ thực nghiệm, cho dòng chất bẩn chảy qua cột vật liệu có kích thước và lưu lượng biết trước cho đến khi lớp chất hấp phụ bị bão hòa Nồng độ của chất tan trong dòng đầu vào (Co) sau khi qua cột sẽ giảm xuống có giá trị nhỏ hơn (Cb) Ban đầu, khi chất hấp phụ vẫn còn mới, nồng độ chất tan trong dòng ra thấp hơn mức nồng độ cho phép Cb Nhưng sau một thời gian vận hành, thì chất hấp phụ đạt bão hòa, khi đó nồng độ chất tan ở dòng ra tăng lên đến một giá trị Cb nào đó, gọi đó điểm uốn

Chiều cao của lớp chất hấp phụ mà tại đó nồng độ của chất bị hấp phụ giảm từ Cođến 0 trên đường cong được gọi là tầng trao đổi chất Sau khi chất ô nhiễm trong nước

thải bị hấp phụ vào tầng trao đổi chất và đi xuống phía dưới, nồng độ chất ô nhiễm giảm đến giá trị tối thiểu và sẽ không có hấp phụ xảy ra thêm nữa phía dưới tầng trao đổi chất Khi lớp trên cùng đã bão hòa chất bị hấp phụ, tầng trao đổi chất sẽ di chuyển xuống phía dưới cho đến khi điểm uốn xảy ra Điểm uốn xảy ra khi nồng độ chất ô nhiễm trong nước rửa đạt 5% giá trị của nồng độ dòng vào Khi nồng độ chất ô nhiễm trong nước rửa bằng 95% nồng độ chất ô nhiễm trong dòng vào, quá trình đạt bão hòa Dựa vào số liệu thực tế các đường cong thoát của dung dịch ion kim loại ra khỏi cột hấp phụ, tính được dung lượng hấp phụ của vật liệu IICGs tại các thời điểm 5% và 95% của đường cong thoát bằng công thức:

Trong đó :

Q: lưu lượng dung dịch chất cần hấp phụ chảy qua cột hấp phụ (ml/phút)

q: lượng chất cần hấp phụ được hấp thu vào cột IICGs (mg)

qe: dung lượng hấp phụ của IICGs (mg/g)

m: khối lượng IICGs trong cột hấp phụ (g)

Cad = Co – Ce (nồng độ đầu vào – nồng độ đầu ra tại thời điểm t) (mg/l)

t : thời gian dung dịch chất cần hấp phụ chảy qua cột (phút)

Hấp phụ trong cột nhằm mục đích loại bỏ một tạp chất nào đó trong nước, nồng

độ tạp chất trong nước đầu ra phải bằng 0 hoặc một giá trị Cb nào đó Trên mức Cb quá trình hấp phụ phải dừng lại để chuyển sang cột mới Độ lớn của tầng chuyển khối ứng với sự suy giảm nồng độ từ Co xuống Cb không có giá trị sử dụng nên được gọi là tầng chết Thời gian từ đầu quá trình đến thời điểm nồng độ đầu ra tăng lên Cb là thời gian

Đất sét được chia ra thành các nhóm chính như sau: kaolinit, smectit, illit và chlorit (nhóm cuối cùng không phải lúc nào cũng được coi là một phần của đất sét và đôi khi được phân loại như là một nhóm riêng) Trong các nhóm này thì

montmorillonit-có khoảng 30 loại đất sét “nguyên chất” khác nhau, nhưng phần lớn là đất sét “tự nhiên” là các hỗn hợp của các loại khác nhau này cùng với các khoáng chất đã phong hóa khác

Đất sét là chất mềm dẻo khi ẩm, điều này có nghĩa là rất dễ tạo hình dạng cho nó bằng tay Khi khô nó trở nên rắn chắc hơn và khi bị “nung” hay làm cứng bằng nhiệt độ cao, đất sét trở thành rắn vĩnh cửu Thuộc tính này làm cho đất sét trở thành một chất lý tưởng để làm các đồ gốm sứ có độ bền cao, được sử dụng cả trong những mục đích thực

tế cũng như dùng để làm đồ trang trí Với các dạng đất sét khác nhau và các điều kiện nung khác nhau, người ta thu được đất nung, gốm và sứ Loài người đã phát hiện ra các thuộc tính hữu ích của đất sét từ thời tiền sử và một trong những đồ tạo tác sớm nhất mà người ta đã biết đến là các bình đựng nước làm từ đất sét được làm khô dưới ánh nắng mặt trời Phụ thuộc vào các hợp chất có trong đất, đất sét có thể có nhiều màu khác nhau, từ màu trắng, xám xịt tới màu đỏ da cam

b Hiện trạng sử dụng vỏ trấu ở Việt Nam

Đất sét được nung kết trong lửa đã tạo ra những loại đồ gốm sứ đầu tiên và hiện nay nó vẫn là một trong những vật liệu rẻ tiền nhất để sản xuất và sử dụng rộng rãi nhất Gạch,