Luận văn Nghiên cứu cố định các hợp chất của Fe trên Biochar để xử lý As trong nước ngầm

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu cố định các hợp chất của Fe trên Biochar để xử lý As trong nước ngầm

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ NHÂM NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH CÁC HỢP CHẤT CỦA Fe TRÊN BIOCHAR ĐỂ XỬ LÝ As TRONG NƯỚC NGẦM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ NHÂM NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH CÁC HỢP CHẤT CỦA Fe TRÊN BIOCHAR ĐỂ XỬ LÝ As TRONG NƯỚC NGẦM Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 8440112.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phạm Thanh Đồng PGS. TS Đỗ Quang Trung Hà Nội - 2019
3. LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin cảm ơn TS Phạm Thanh Đồng, PGS. TS Đỗ Quang Trung đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiê ên tốt nhất trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô trong Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nô êi đã nhiê êt tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua, góp phần cho bản thân em hoàn thành luận văn này được tốt hơn. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, các anh chị và các bạn trong Phòng thí nghiê êm Hóa Môi trường, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập tại đây. Cuối cùng em xin cảm ơn nhóm đề tài QG.19.19, gia đình và người thân đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về vật chất cũng như tinh thần cho em hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Nhâm MỤC LỤ
4. MỞ ĐẦU..................................................................................................................1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................4 1.1.Tổng quan về asen............................................................................................4 1.1.1. Giới thiệu về asen.....................................................................................4 1.1.2. Các dạng tồn tại và chuyển hóa của asen trong tự nhiên..........................6 1.1.3. Ảnh hưởng của asen tới sức khỏe con người.............................................8 1.2. Thực trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm trên Thế giới và Việt Nam.........10 1.2.1. Thực trạng ô nhiễm asen trên Thế giới...................................................10 1.2.2. Thực trạng ô nhiễm asen tại Việt Nam....................................................12 1.3. Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm hiện nay...............................15 1.3.1. Phương pháp oxi hóa..............................................................................15 1.3.2. Các phương pháp keo tụ - kết tủa kết hợp lắng.......................................17 1.3.3. Phương pháp sinh học............................................................................18 1.3.4. Xử lý asen bằng phương pháp hấp phụ...................................................18 1.4. Tổng quan về than sinh học (Biochar)...........................................................21 1.4.1. Tính chất của biochar.............................................................................22 1.4.2. Nguyên liệu chính để sản xuất biochar...................................................24 1.4.3. Phương pháp chế tạo biochar.................................................................25 1.4.4. Một số phương pháp biến tính biochar...................................................26 1.4.5. Một số ứng dụng của biochar trong xử lý môi trường.............................28 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................30 2.1. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................30 2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị.........................................................................30 2.3. Phương pháp nghiên cứu...............................................................................31 2.3.1. Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp.....................................................31 2.3.2. Phương pháp xác định cấu trúc, thành phần của vật liệu và phân tích hàm lượng asen.................................................................................................31 2.3.3. Phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ....................................................32 2.3.4. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu biochar................................33
5. 2.3.4.1. Xác định giá trị pH tại điểm đẳng điện của vật liệu.............................35 2.3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH................................................................35 2.3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ asen ban đầu..................................36 2.3.4.4. Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời gian.......................................36 2.3.4.5. Nghiên cứu khả năng rửa giải asen khỏi vật liệu hấp phụ...................37 2.3.4.6. Nghiên cứu động học hấp phụ..............................................................37 2.3.4.7. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ...........................................................40 2.3.4.8. Nghiên cứu xử lý mẫu nước ngầm có chứa Asen..................................42 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................44 3.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu......................................................................44 3.1.1. Phổ hồng ngoại FTIR.............................................................................44 3.1.2. Bề mặt kích thước của vật liệu (SEM-EDX)...........................................45 3.1.3. Diện tích bề mặt (BET)..........................................................................48 3.2. Nghiên cứu khả năng xử lý asen trong nước.................................................50 3.2.1. Xác định pH tại điểm điểm đẳng điện của vật liệu..................................50 3.2.2. Ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý asen...........................................51 3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng xử lý asen...................................53 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng xử lý asen..................................54 3.2.4. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt...................................................................56 3.2.5. Mô hình động học...................................................................................59 3.2.6. Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ.................................60 3.2.7. Nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm.................................................61 KẾT LUẬN.............................................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................66 PHỤ LỤC................................................................................................................71
6. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sự tồn tại của asen trong môi trường phụ thuộc vào Eh và pH...................8 Hình 1.2. Sự phân bố các khu vực ô nhiễm asen trên thế giới [12]..........................10 Hình 1.3. Thực trạng ô nhiễm asen tại khu vực đồng bằng sông Hồng, Việt Nam..12 Hình 1. 4. Đặc tính của biochar thay đổi theo quá trình nhiệt phân [19].................23 Hình 2.1. Sơ đồ quy trình chế tạo Biochar và lò chế tạo Biohar trong thực tế.........32 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình chế tạo Fe-Biochar..........................................................33 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình chế tạo nano Fe-Biochar..................................................33 Hình 2.4 Quá trình hấp phụ asen trên máy lắc.........................................................34 Hình 2.5 Quá trình lọc mẫu.....................................................................................35 Hình 2.6. Hình ảnh cột hấp phụ...............................................................................43 Hình 3.1. Phổ IR của biochar, Fe-biochar và nano Fe-biochar................................44 Hình 3.2. Ảnh SEM của biochar (a), Fe-Biochar (b), nano Fe-biochar (c)..............46 Hình 3.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) của biochar (a), Fe-Biochar (b), nano Fe-Biochar (c).........................................................................................................48 Hình 3.4. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ của biochar (a), Fe-Biochar (b), nano Fe-Biochar (c)..........................................................................................50 Hình 3.5. Đường đẳng điện của biochar, Fe-biochar và nano Fe-biochar................51 Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý asen của biochar, Fe-biochar, nano Fe-biochar................................................................................................................52 Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ asen đến khả năng xử lý asen của biochar, Fe- biochar, nano Fe-biochar.........................................................................................54 Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng xử lý asen của biochar, Fe- biochar, nano Fe-biochar.........................................................................................55 Hình 3.9. Đường tuyến tính Langmuir của biochar, Fe-biochar và nano Fe-biochar với asen...................................................................................................................57 Hình 3.10. Đường tuyến tính Freundlich của biochar, Fe-biochar và nano Fe- biochar với asen.......................................................................................................58 Hình 3.11. Phương trình động học hấp phụ Asen (V) dạng tuyến tính bậc 1...........60 Hình 3.12. Phương trình động học hấp phụ Asen (V) dạng tuyến tính bậc 2...........60 Hình 3.13. Khả năng hấp phụ xử lý asen trong mẫu nước thực tế trên cột hấp phụ có chứa vật liệu Fe-Biochar, nano Fe-Biochar.............................................................62
7. DANH MỤC BẢN Bảng 1.1. Tỷ lệ tương đối của các thành phần chính trong biochar [19]..................22 Bảng 1.2. Các thành phần chính có trong vỏ trấu....................................................25 Bảng 1.3. Các phương pháp biến tính biochar.........................................................27 Bảng 3.1. Đặc trưng cấu trúc của biochar, Fe-biochar và nano Fe-Biochar.............48 Bảng 3.2. Kết quả ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Asen trong nước........52 Bảng 3.4. Kết quả ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ.........................56 Bảng 3.5. Hằng số hấp phụ và dung lượng hấp phụ cực đại....................................57 Bảng 3.6. Khả năng hấp phụ Asen của các loại vật liệu khác..................................59 Bảng 3.7. Các tham số trong mô hình động học hấp phụ bậc 1 và bậc 2.................59 Bảng 3.8. Hiệu quả tái sử dụng của vật liệu biến tính Biochar................................61 Bảng 3.9. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu Fe-Biochar và nano Fe-biochar đối với mẫu nước ngầm chứa asen..........................................................................61 Bảng 3.10. Khả năng xử lý của vật liệu Fe-Biochar và nano Fe-biochar với mẫu nước ngầm...............................................................................................................62
8. MỞ ĐẦU Ô nhiễm nguồn nước đang là vấn đề nóng bỏng và là một trong những mối quan tâm hàng đầu trên thế giới hiện nay. Các nguồn nước bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần và mức độ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa lý, địa hình, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của từng vùng... Tại Việt Nam, nhiều vùng núi và các vùng nông thôn, nước ngầm được sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt chính vì đây là nhữngkhu vực có điều kiện kinh tế thấp, hệ thống cung cấp nước sạch chưa phát triển và phải dùng nước giếng khoan là chủ yếu [6]. Tuy nhiên, sự có mặt của asen trong nước ngầm tại nhiều khu vực, đã và đang gây ra rất nhiều nguy cơ cho sức khỏe của con người. Nhiều nghiên cứu cho thấy nồng độ asen tại các khu vực khảo sát cao gấp nhiều lần so với nồng độ asen cho phép theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt do Bộ Y Tế ban hành năm 2009 là 10 µg/L (QCVN02:2009/BYT), và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm do Bộ Tài nguyên và môi trường ban hành năm 2008 là 50 µg/L. Do vậy việc xử lý nguồn nước bị ô nhiễm asen này là rất cấp thiết và quan trọng. Hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới đã và đang áp dụng rất nhiều phương pháp xử lý asen khác nhau như: trao đổi ion, oxi hóa/kết tủa, keo tụ kết hợp với lắng, hấp phụ bằng các loại vật liệu khác nhau như oxit mangan, chitosan, đá ong biến tính, nhôm hoạt hóa, cát mang sắt, nhựa trao đổi ion [1] Tuy nhiên phương pháp hấp phụ được sử dụng nhiều do có tính kinh tế và hiệu quả xử lý cao. Việt Nam là một nước có truyền thống nông nghiệp lâu đời, là chỗ dựa vững chắc cho nền kinh tế đất nước cũng như đảm bảo an ninh lương thực. Nhưng đi cùng với hàng trăm triệu tấn nông sản là một lượng lớn phụ phẩm nông nghiệp phát sinh hàng năm như rơm rạ, vỏ trấu, bã mía Với khối lượng phụ phẩm nông nghiệp rất lớn như vậy mà không có cách xử lý phù hợp sẽ gây ô nhiễm môi trường và là một sự lãng phí lớn. Trong những năm gần đây, việc sản xuất và sử dụng than sinh học (biochar) từ phụ phẩm nông nghiệp vào các mục đích khác nhau như cải tạo đất trồng, phân bón và đặc biệt là ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý các chất ô nhiễm môi trường đã thu hút được nhiều sự quan tâm. Tuy nhiên, do diện tích bề 1
9. mặt còn thấp cũng như thiếu hụt của các nhóm chức mà khả năng xử lý của vật liệu than sinh học (biocchar) còn thấp hơn so với các loại vật liệu hấp phụ thông thường như than hoạt tính. Do vậy, đã có nhiều nghiên cứu trong nước và trên thế giới biến tính than sinh học (biochar) nhằm nâng cao khả năng xử lý ô nhiễm môi trường. Một số nghiên cứu ở Việt Nam đã chỉ ra rằng khả năng hấp phụ asen từ các vật liệu có chứa sắt đem lại hiệu quả tương đối cao. Loại bỏ asen bằng các vật liệu mang sắt đã được nghiên cứu theo nhiều cơ chế khác nhau như trao đổi ion, hấp phụ trên bề mặt của nhóm hydroxit hoặc đồng kết tủa đều cho kết quả xử lý tốt [6]. Hiện nay, các hạt nano sắt, ngoài các ứng dụng trong y sinh học như làm giá mang dẫn truyền thuốc, làm tác nhân tương phản ảnh cộng hưởng từ..., còn được biết đến như là vật liệu hấp phụ mới để làm sạch môi trường với các hợp chất hữu cơ chứa clo, kim loại nặng và các chất vô cơ khác. Vì vậy, để tận dụng lượng phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam cũng như tăng cường khả năng xử lý asen trong nước ngầm, chúng tôi đã tiến hành thực hiện luận văn với tiêu đề: “Nghiên cứu cố định các hợp chất của Fe trên biochar để xử lý As trong nước ngầm” Mục tiêu của đề tài  Nghiên cứu tổng hợp được vật liệu hấp phụ trên cơ sở biến tính biochar chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp là vỏ trấu bằng nano sắt.  Khảo sát khả năng ứng dụng vật liệu biochar biến tính vào xử lý nước ngầm bị nhiễm asen. Nội dung nghiên cứu  Chế tạo vật liệu biochar từ phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu), vật liệu biochar biến tính bởi sắt và nano sắt.  Phân tích đặc trưng cấu trúc và tính chất vật liệu thông qua các phương pháp: Kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), phổ hấp phụ và giải hấp phụ N2 (BET), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX).  Đánh giá ảnh hưởng của pH, thời gian, nồng độ ban đầu đến quá trình hấp phụ asen của vật liệu biochar và biochar biến tính. So sánh khả năng hấp phụ 2
10. asen của vật liệu biocchar và biochar biến tính khi nghiên cứu quá trình hấp phụ tĩnh.  Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ asen của vật liệu: Thời gian, pH, nồng độ asen ban đầu.  Kháo sát cân bằng hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich.  Khảo sát mô hình động học hấp phụ của vật liệu. Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm tại Trung tâm Ứng dụng và Phát triển Khoa học Phân tích, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. 3