zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano ứng dụng trong xử lý nước

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:103

Báo xấu

75
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu chứa sắt kích nano; nghiên cứu ứng dụng của vật liệu chế tạo được trong xử lý một số chất ô nhiễm phổ biến trong môi trường nước.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano ứng dụng trong xử lý nước

Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin cảm ơn Khoa Môi Trường Trường Đại học khoa học tự nhiên Hà Nội đã luôn tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Trong quá trình thí nghiệm cho luận văn của mình, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của các anh chị quản lý phòng thí nghiệm và các thầy cô của Bộ môn Công nghệ môi trường – Khoa Môi trường, Trung tâm Khoa học Vật liệu – Khoa Vật lý – Đại học Khoa học Tự nhiên và anh Phạm Văn Lâm – Viện Hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm luận văn. Tôi cũng cảm ơn các sinh viên trong nhóm thực hiện đề tài đã luôn tận tình hỗ trợ tôi thực hiện đề tài này. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn Thị Hà, người đã giúp tôi định hướng nghiên cứu, xây dựng ý tưởng và hướng dẫn tôi rất tận tình trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình thân yêu của tôi. Tất cả các bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên tôi suốt chặng đường tôi đi, động viên và hỗ trợ tôi giúp đỡ tôi để hoàn thành bản luận văn này. Học viên Ngô Ngọc Thư Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 1
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AAS Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử BVTV Bảo vệ thực vật CB Clobenzen DDT Dichlorodiphenyltrichloroethane ĐK Điều kiện Tổ chức Nông lương Liên Hợp FAO Quốc EDTA Axít etilendiamintetrainxetic HCBVTV Hợp chất bảo vệ thực vật RCl Hợp chất cơ clo vòng thơm OCP Hợp chất thuốc trừ sâu cơ clo PCB Hợp chất polyclobiphenyl Hợp chất hữu cơ bền vững khó POP phân hủy SEM Scanning Electron Microscope TEM Transmission Electron Microscope UVVIS Ultraviolet–visible spectroscopy WHO Tổ chức y tế thế giới Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 2
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư MỤC LỤC MỞ ĐẦU 8 Chương 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 10 1.1 Tổng quan về vật liệu chứa sắt kích thước nano 10 1.1.1. Đặc điểm của vật liệu nano 10 1.1.2. Khái quát các phương pháp chế tạo vật liệu sắt kích thước 12 nano 1.2. Ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho xử lý môi trường nước 15 1.2.1. Ứng dụng xử lý nitrat 15 1.2.2. Ứng dụng xử lý hợp chất clo hữu cơ 24 Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46 2.1 Đối tượng nghiên cứu 46 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 49 2.2.1. Phương pháp tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano 49 2.2.2. Ứng dụng vật liệu trong xử lý nitrat 54 2.2.3. Ứng dụng vật liệu trong xử lý hợp chất clo hữu cơ 58 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 63 3.1. Kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu 63 3.1.1 Kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu không bổ sung chất hoạt hóa bề mặt 63 3.1.2 Kết quả phân tích đặc tính vật liệu 64 3.2. Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý nitrat của vật liệu 68 3.2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn phân tích nitrat, nitrit và amoni 68 3.2.2 Kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý 70 Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 3
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư 3.2.3. Kết quả khảo sát sản phẩm của quá trình khử 72 3.3. Khả năng xử lý hợp chất clo hữu cơ vòng thơm của vật liệu 74 3.3.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn phân tích clobenzen 75 3.3.2. Kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý 75 3.3.3. Khảo sát sản phẩm cuối cùng của quá trình xử lý 84 3.3.4. Xác định khả năng hấp phụ của hợp chất FeOOH 86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 95 Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 4
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng Trang Bảng 1. Hàm lượng sắt trong các mẫu vật liệu chế tạo 67 Bảng 2 : Sự thay đổi nồng độ nitrat theo thời gian ở các pH khác 70 nhau (C0 = 100mg/l; [Fe] = 0,033mg/ml; pH = 4, 5, 6) Bảng 3.Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang A vào nồng độ CB 77 Bảng 4. Ảnh hưởng của nồng độ của EDTA 78 Bảng 5. Ảnh hưởng của pH tới sự suy giảm hàm lượng CB 80 Bảng 6. Ảnh hưởng của kích thước bột sắt 82 Bảng 7. Ảnh hưởng của hàm lượng bột sắt 84 Bảng 8. Ảnh hưởng của hàm lượng CB 85 Bảng 9:Bảng so sánh hàm lượng CB còn lại và hàm lượng COD còn 86 lạ i Bảng 10. Khả năng hấp phụ CB của FeOOH 89 Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 5
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hình 1: Quá trình thẩm thấu 21 Hình 2: Quá trình thẩm thấu ngược 21 Hình 3 : Quá trình điện thẩm tách 22 Hình 4 Dải phân bố tần số sóng âm 24 Hình 5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp điện hóa 25 Hình 6. Một số hợp chất thuốc trừ sâu cơ clo phổ biến 29 Hình 7. Cấu tạo của các hợp chất polyclobiphenyl 30 Hình 8. Sự hấp thụ, phân bố, tích lũy, trao đổi chất và đào thải của 32 một số hóa chất trong cơ thể sinh vật [5] Hình 9. Sắt tham gia vào quá trình khử các hợp chất clo hữu cơ 45 Hình 10. Sơ đồ sắt (Fe(II)) tham gia vào quá trình khử 45 Hình 11. Sơ đồ sắt và hydro tham gia vào quá trình khử 46 Hình 12. Phân tử clobenzen 48 Hình 13: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu 51 Hình 14. Phổ tử ngoại của dung dịch clobenzen 59 Hình 15: Sắc đồ của một chất 60 Hình 16. Kết quả chụp SEM mẫu vật liệu không bổ sung chất hoạt hóa bề mặt 63 Hình 17: Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu chế tạo 64 Hình 18. Kết quả chụp TEM mẫu vật liệu bổ sung chất hoạt 65 Hình 19. Kết quả đo đường cong từ hóa mẫu vật liệu chế tạo 66 Hình 20. Vật liệu sắt kích thước nano chế tạo 67 Hình 21. Đường chuẩn phân tích NH4+; NO2 và NO3 69 Hình 22. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý nitrat 71 Hình 23. Ảnh hưởng của hàm lượng Fe0 đến hiệu quả xử lý nitrat (C0 72 = 100mg/l; pH=3,54,5) Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 6
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Hình 24. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu (Fe0=1g/l; pH=4) 73 (C0= 100mg/l; [Fe] = 0.033g/l) Hình 25. Cân bằng khối lượng các dạng tồn tại của N trong dung dịch 74 (Co=100mg/l; Fe=1g/l; pH=4) Hình 26. Cân bằng nitơ tại pH=6 75 Hình 27. Đồ thị đường chuẩn của clobenzen 77 Hình 28. Ảnh hưởng của EDTA đến khả năng xử lý của vật liệu 78 Hình 29. Sự phụ thuộc của hàm lượng CB còn lại trong dung dịch 79 theo nồng độ EDTA (sau 2 giờ phản ứng) Hình 30: Ảnh hưởng của pH tới sự suy giảm hàm lượng CB 80 Hình 31. Sự phụ thuộc của hàm lượng CB còn lại trong dung dịch 81 theo pH(sau 2 giờ phản ứng) Hình 32. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu 83 Hình 33. Sự phụ thuộc của hàm lượng CB còn lại trong dung dịch 83 kích thước vật liệu (sau 2 giờ phản ứng) Hình 34. Sự phụ thuộc của hàm lượng CB còn lại vào lượng vật 84 liệu cho vào Hình 35: Ảnh hưởng của hàm lượng CB ban đầu đến hiệu suất xử 86 lý(sau 2 giờ) Hình 36: Bảng so sánh hiệu suất xử lý CB và COD (sau 2 giờ) 87 Hình 37. So sánh hàm lượng CB (sau 2 giờ phản ứng) ở 3 pH khác 89 nhau Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 7
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư MỞ ĐẦU Quá trình hội nhập mới của Việt Nam (1995) đã tạo sự tăng trưởng kinh tế liên tục đạt trên 7% và trong tốp 10 quốc gia có tốc độ phát triển kinh tế nhanh nhất thế giới. Hội nhập đã mang tới cho Việt Nam một cơ hội lớn để phát triển, vươn mình mạnh mẽ, xây dựng một diện mạo mới cho đất nước đưa đất nước thoát khỏi phụ thuộc và đang dần khẳng định vị thế của mình trên trường quốc tế. Nhưng kèm theo đó, cũng trong hơn chục năm qua, Việt Nam phải đối mặt với những tác động môi trường và mối đe dọa về suy giảm môi trường chưa từng có. Ô nhiễm nước mặt, nước ngầm, không khí, đất khắp nơi và tốc độ suy giảm các nguồn tài nguyên, suy giảm đa dạng sinh học đang gia tăng là hệ quả của việc phát triển mà không tính tới các lợi ích môi trường. Trong đó, ô nhiễm môi trường nước là vấn đề đang được đặc biệt quan tâm vì liên quan và ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sinh hoạt của cộng đồng. Vấn đề xử lý ô nhiễm môi trường nước hiện là vấn đề hết sức quan trọng để đảm bảo nguồn nước sạch cho sinh hoạt và các hoạt động sản xuất. Một trong các loại chất gây ô nhiễm nguồn nước khá phổ biến do các hoạt động sản xuất của con người tạo ra đó là nitrat và các hợp chất clo hữu cơ… Đây là các chất ô nhiễm có tác động có hại đến môi trường sinh thái, các động thực vật và sức khỏe của con người. Đã có nhiều công nghệ xử lý các chất ô nhiễm này được nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Hiện nay, công nghệ mới đang được rất nhiều nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới quan tâm nghiên cứu là công nghệ nano – Sử dụng vật liệu có kích thước nano để tăng hiệu quả của quá trình. Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 8
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Vì vậy, trong luận văn này đã chọn đề tài nghiên cứu là: “ Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano ứng dụng trong xử lý nước”. Phương pháp xử lý một số chất ô nhiễm nitrat và các hợp chất clo hữu cơ… bằng vật liệu sắt kích thước nano là một phương pháp mới đã được áp dụng ở một số nước trên thế giới. Đây là một phương pháp mới thân thiện với môi trường, phương pháp sử dụng sắt là một chất ít độc hại, nó biến đổi hợp chất ô nhiễm, độc hại thành các hợp chất ít độc hại hơn với môi trường. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu chứa sắt kích nano; Nghiên cứu ứng dụng của vật liệu chế tạo được trong xử lý một số chất ô nhiễm phổ biến trong môi trường nước: + Nghiên cứu ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho việc xử lý nitrat trong nước; + Nghiên cứu ứng dụng của vật liệu chứa sắt kích thước nano cho việc xử lý các hợp chất clo hữu cơ (clo benzen) trong môi trường nước; Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 9
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Chương 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.1.Tổng quan về vật liệu chứa sắt kích thước nano 1.1.1. Đặc điểm của vật liệu nano Công nghệ nano là: “ngành công nghệ liên quan tới việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng kích thước trên quy mô nano mét” Theo sáng kiến quốc gia về khoa học và công nghệ nano (National Nanotechnology Initiative NNI) của Mỹ, công nghệ nano phải bao gồm các lĩnh vực sau: - Nghiên cứu và phát triển ở công nghệ cấp độ nano với kích thước từ 1 tới 100nm. - Tạo ra các cấu trúc, thiết bị, hệ thống có các đặc tính và chức năng mới do kích thước nhỏ của chúng. Vật liệu nano là vật liệu mà trong cấu trúc thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomét. Vật liệu nano có thể tồn tại ở 3 trạng thái: rắn, lỏng, khí. Trong đó vật liệu rắn đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, sau đó đến vật liệu lỏng và khí. Có thể phân chia vật liệu nano thành 3 loại dựa trên hình dạng: Vật liệu nano ba chiều (hay vật liệu nano không chiều): cả 3 chiều có kích thước nanomet.VD: hạt nano, đám nano… Vật liệu nano hai chiều: vật liệu có 2 chiều có kích thước nano. VD: màng nano… Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 10
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Vật liệu nano mét chiều: chỉ có duy nhất 1 chiều có kích thước nanomet. VD: ống nano, dây nano… Vật liệu nano composite. * Đặc điểm và tính chất Một đặc điểm quan trọng của vật liệu nano là kích thước hạt vô cùng nhỏ bé, chỉ lớn hơn kích thước của nguyên tử 12 bậc. Do vậy, số nguyên tử nằm trên bề mặt của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với các vật liệu có kích thước lớn hơn. Như vậy nếu như ở vậy ở các vật liệu thông thường chỉ có một số ít nguyên tử nằm trên lớp bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử nằm phía sâu bờn trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc vật liệu nano tăng lên rất nhiều so với vật liệu thông thường. Nói cách khác, ở các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bé tính chất của mình tương tác với môi trường xung quanh. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều tính đặc trưng nổi trội, đặc biệt là các tính chất điện, quang, từ, xúc tác… Vật liệu nano có 3 hiệu ứng: - Hiệu ứng lượng tử. Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 #m3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử. - Hiệu ứng bề mặt. Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 11
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối - Hiệu ứng kích thước. Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu. Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. 1.1.2. Khái quát các phương pháp chế tạo vật liệu sắt kích thước nano a) Phương pháp nghiền Phương pháp nghiền sử dụng kỹ thuật mài cơ khí thông thường để phá vỡ các hạt kim loại có kích thước lớn thành các hạt có kích thước Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 12
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư micro hoặc nano. Sự va chạm của các hạt hình cầu có thể phá vỡ kích thước của các hạt riêng biệt xuống còn vài nm và dẫn đến sự biến dạng, bẻ gẫy và nối lại của chúng. Khi nghiền, người ta thường sử dụng chất hoạt hóa bề mặt giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau. Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt [3] b) Phương pháp vi nhũ tương (RM) RM là một phương pháp rất phù hợp để chế tạo vật liệu nano với sự phân bố kích thước chặt chẽ và hình thái đồng nhất cao. Trong nghiên cứu của mình Carpenter [16] đã sử dụng hệ RM của cetyltrimethyl ammonium bromide, octane, nbutanol, và các chất phản ứng trong dung dịch để khử sắt sunfat bằng natri borohidrit (NaBH 4). Bằng cách phủ một lớp mỏng vàng, những hạt sắt nano có thể được bảo vệ khỏi sự oxi hóa. Hạt nano thu được có đường kính 7nm và được bọc bởi một lớp vàng 1nm. Li và các cộng sự [16] đã sử dụng một hệ tương tự và thu được các hạt sắt nano có dạng gần hình cầu với đường kính nhỏ hơn 10 nm. Các nghiên cứu khác [2527] trên vật liệu FeAu nano cho thấy có thể thu được các hạt nano với nhân vàng 3 nm, một lớp sắt 1 nm và lớp phủ vàng 2 nm bằng phương pháp vi nhũ tương. c) Đ ồng kết tủa hóa học Một chất kết tủa phù hợp được thêm vào dung dịch trong một khoảng pH xác định để đạt được sự đồng kết tủa hóa học có kiểm soát. Sau đó sẽ nhận được vật liệu nano bằng cách già hóa, lọc, rửa, làm khô, Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 13
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư và phân hủy các tiền chất rất nhỏ thu được. Các chất kết tủa thường được sử dụng gồm NaHCO3, Na2CO3, (NH4)2CO3, NaOH và NH3. Liu và các cộng sự [15] đã sử dụng phương pháp này để chế tạo hạt oxit sắt nano với kích thước trung bình nhỏ hơn 5nm. d) Phương pháp điện hóa Các nghiên cứu gần đây cho thấy các vật liệu nano chứa sắt có thể tổng hợp bằng phương pháp điện hóa. Chen [19] đã sử dụng anode sắt và cathode Ti trơ để chế tạo sắt nano. Dung dịch điện ly chứa 50g/l (NH4)2Fe(SO4)2, 20g/l muối trinatri axit citric, 10g/l axit citric và 40g/l axit boric. Nhiệt độ của bể phản ứng là 303K. Dòng điện với độ rộng xung ngắn được sử dụng để điều chỉnh kích thước hạt. Kết quả cho thấy hạt nano chế tạo được có kích thước trung bình là 19nm và độ ổn nhiệt lên tới 550K. e) Khử pha lỏng Ý tưởng cơ bản của phương pháp khử pha lỏng (hay khử borohydride) là thêm một chất khử mạnh vào một dung dịch ion kim loại để khử nó thành các hạt kim loại có kích thước nano. Phương pháp này đã được sử dụng để chế tạo các hạt sắt kích thước nano trong nghiên cứu của Glavee và các cộng sự [5] đầu năm 1995. Các hạt sắt tổng hợp theo phương pháp này được gọi là FeBH. Do sự đơn giản cũng như hiệu suất của phương pháp khử pha lỏng, nó đã trở thành phương pháp được biết đến nhiều nhất và sử dụng rộng rãi nhất để chế tạo sắt nano trong các ứng dụng môi trường. Chất khử được sử dụng phổ biến nhất là NaBH4. Các dung dịch của sắt được sử dụng là sắt(III) clorit (FeCl3.6H2O) và sắt(II) sunfat(FeSO4.7H2O). Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 14
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Trong nghiên cứu của mình, Zhang [2527] đã báo cáo rằng các hạt nano tạo ra có kích thước trung bình là 60,2nm. Phần lớn các hạt (>80%) có đường kính nhỏ hơn 100 nm, với 30% có đường kính nhỏ hơn 50nm. Diện tích bề mặt riêng trung bình của vật liệu khoảng 35m2/g. Choe và các cộng sự [5] chế tạo được vật liệu có kích thước trong khoảng 1100nm và diện tích bề mặt riêng 31,4m2/g. Các hạt nano thu được trong nghiên cứu của Ruangchainikom nằm trong khoảng 10100nm, với diện tích bề mặt riêng là 24,437,2m2/g. f) Khử pha khí Một loại sắt nano thương phẩm được biết đến với tên gọi RNIP (Toda Kogyo Corp., Schaumberg, IL), sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng môi trường được tổng hợp bằng phương pháp khử pha khí. RNIP (hay còn gọi là FeH2) được sản xuất từ phương pháp khử hematite hoặc goethite bằng H2 ở nhiệt độ cao (3506000C). Sau khi làm lạnh và chuyển hạt sắt vào nước dưới dạng khí, một lớp vỏ bị oxi hóa hình thành trên bề mặt hạt. Sau khi được làm khô, vật liệu nano sắt đã sẵn sàng để khử các hợp chất hữu cơ chứa halogen hoặc kim loại nặng. RNIP được biết đến như một vật liệu hai pha gồm Fe3O4 và αFeO. Vật liệu tổng hợp được có kích thước trung bình 50300nm và diện tích bề mặt riêng 755m2/g. Hàm lượng Fe thường không nhỏ hơn 65% (theo khối lượng). 1.2. Ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho xử lý môi trường nước 1.2.1. Ứng dụng xử lý nitrat a> Khái quát về vấn đề ô nhiễm của nitrat, nitrit trong nước Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 15
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Nguồn phát sinh nitrat: Nitrat là một oxit tồn tại trong tự nhiên của nitơ. Nitơ có mặt trong không khí và nó phản ứng với oxi và ozon để tạo ra các oxit nitơ, trong đó có nitrat. Sự oxi hóa nitơ cũng xảy ra trong các hệ thống sinh học đang sinh trưởng hoặc phân hủy. Các oxit nitơ cũng có mặt trong khói ở những lượng đáng kể. Nitrat là một thành phần thiết yếu của các vật sống và là thành phần chính của phân động vật, các loại chất thải sinh hoạt của người và phân bón thương phẩm. Nitrat và nitrit đã được sử dụng hàng thế kỷ nay như phân bón, dùng trong chất nổ, và chất bảo quản thực phẩm, đặc biệt là các loại thịt có màu đỏ. Nitrat được ứng dụng rất nhiều trong đời sống và sự có mặt của nitrat trong môi trường là rất phổ biến và cần thiết. Sự chuyển hóa của nitrat trong môi trường: + Sự có mặt của nitrat trong nước có nguồn gốc từ phân bón hóa học, chất thải của người và động vật, chất thải công nghiệp và chất thải từ ngành chế biến thực phẩm. Nitrat được hình thành bởi các vi sinh vật có trong một số loại cây, chúng chuyển nitơ trong khí quyển thành nitrat. Nó cũng có thể được tìm thấy trong một số hệ thống địa chất, và là kết quả của sự thối rữa các chất hữu cơ. + Phân động vật, xác các loại thực vật là nguồn cung cấp nitơ hữu cơ cho đất. Nitơ hữu cơ sẽ bị chuyển hóa thành NNH 4+ là dạng mà sinh vật có thể sử dụng được (quá trình amôn hóa). Sau đó, NH4+ sẽ tiếp tục bị vi khuẩn oxi hóa thành NO3 (quá trình nitrat hóa). Một phần nitrat sẽ được cây hấp thu, một phần sẽ bị các vi khuẩn phản nitrat chuyển hóa thành N2, N2O đi vào khí quyển (quá trình phản nitrat), một phần sẽ được các vi Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 16
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư khuẩn cố định nitơ chuyển hóa trở lại thành nitơ hữu cơ trong đất (cố định nitơ) và một phần nitrat xâm nhập vào các thủy vực [5] b> Những ảnh hưởng của nitrat tới môi trường và sức khỏe Những ảnh hưởng của nitrat tới sức khỏe [3]: + Độc tính của nitrat chủ yếu là do sự chuyển hóa của nó thành nitrit, nitrit sẽ oxi hóa dạng Fe2+ trong hemoglobin thành dạng Fe3+. Hợp chất này (methemoglobin) không kết hợp với oxi, làm giảm sự vận chuyển oxi từ phổi đến các mô. Một người bình thường có hàm lượng methemoglobin thấp, thường nằm trong khoảng từ 0,52% (NAS, 1981). Tuy nhiên, do khả năng vận chuyển oxi vượt trội của máu, lượng methemoglobin lên tới khoảng 10% cũng không cho thấy bất kỳ dấu hiệu bệnh lý nào đáng kể. Nồng độ trên 10% có thể làm cho da và môi bị xanh tím, nồng độ trên 25% sẽ dẫn tới sự mệt mỏi, thở nhanh và tim đập mạnh. Nồng độ methemoglobin ở mức 5060% có thể dẫn tới tử vong. + Sự chuyển hóa nitrat thành nitrit trong hệ thống dạ dày diễn ra chủ yếu nhờ vi khuẩn. Vì vậy, nguy cơ về methemoglobin do sự hấp thu nitrat của cơ thể không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng nitrat hấp thu, mà còn phụ thuộc vào số lượng và dạng vi khuẩn đi vào cơ thể. Ở một người trưởng thành khỏe mạnh, khoảng 5% lượng nitrat chuyển thành nitrit bởi các vi khuẩn trong miệng (NAS, 1981). Sự chuyển hoá nitrat thành nitrit cũng xảy ra trong dạ dày nếu pH của dịch vị đủ cao (khoảng pH>5) cho sự phát triển của vi khuẩn. Đây là điều đáng quan tâm vì ở người lớn có thể xảy ra những bệnh như thiếu axit dịch vị hoặc viêm dạ dày. Đối với trẻ sơ sinh, nếu dư thừa methemoglobin trẻ sẽ xanh xao, tím tái hoặc lịm đi tuỳ thuộc vào hàm lượng methemoglobin trong cơ thể, hiện tượng này gọi là “triệu Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 17
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư chứng trẻ xanh”. Vì dạ dày của trẻ sơ sinh thường có pH cao, thích hợp với sự phát triển của vi khuẩn chuyển hóa nitrat. Mặt khác, trẻ sơ sinh rất dễ bị dư thừa methemoglobin do cơ thể chúng thiếu loại enzym có thể chuyển hóa methemoglobin thành hemoglobin. Vì vậy, trẻ sơ sinh (đặc biệt từ 03 tháng tuổi) thường được coi là diện dễ bị tổn thương nhất với sự dư thừa methemoglobin do nitrat gây ra. + Cho đến nay, đã có một số nghiên cứu cho thấy sự gia tăng đáng kể nguy cơ mắc các dị tật bẩm sinh ở trẻ em và phụ nữ dùng nước ngầm (5 15 mg/l nitrat) so với những phụ nữ dùng nước mưa (
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư + Do môi trường nước có chứa các chất dinh dưỡng N và P làm cho thực vật phù du phát triển mạnh, tăng sinh khối, đặc biệt là tảo que, tảo xanh hoa và nhiều loại tảo độc khác. Hàm lượng chất diệp lục cũng tăng lên đáng kể và bị thối rữa, phân hủy dẫn đến làm giảm nghiêm trọng hàm lượng oxi hòa tan trong nước, một yếu tố cơ bản của quá trình tự làm sạch của môi trường nước, đặc biệt là ở những nơi có độ sâu đáng kể. Sự phân hủy của tảo là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự thiếu oxi nghiêm trọng trong nước. Quá trình này xảy ra theo phương trình: (CH2O)106(NH3)16H3PO4 + 138O2  106CO2 + 122H2O + 16HNO3 + H3PO4 (*) (Với thực vật phù du, một phân tử có thể mô tả bằng công thức (*)) + Từ phản ứng này ta thấy, cứ 1 phân tử thực vật phù du sử dụng 276 nguyên tử oxi để tiến hành phản ứng phân hủy và giải phóng một lượng đáng kể axit và CO2 vào nguồn nước làm giảm pH của nước, nước bị nhiễm bẩn và có mùi hôi thối, cá chết hàng loạt. + Phú dưỡng tạo ra những biến đổi lớn trong hệ sinh thái nước, làm giảm oxi trong nước do đó làm chất lượng nước bị suy giảm và ô nhiễm. c> Một số phương pháp xử lý nitrat Hiện nay có một số phương pháp được áp dụng để xử lý nitrat trong nước, bao gồm: Trao đổi ion; thẩm thấu ngược; điện thẩm tách; phương pháp sinh học 1. Phương pháp trao đổi ion: Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 19
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Trao đổi ion là quá trình xử lý nước bằng phản ứng trao đổi giữa các ion trên pha rắn (chất trao đổi ion) với các ion cùng dấu trong pha lỏng (nước cần xử lý) như vậy hệ trao đổi ion có hai thành phần: chất trao đổi ion và chất lỏng chứa ion cần trao đổi. Về bản chất đây là quá trình chuyển các ion từ pha phân tán là nước lên pha tĩnh là chất trao đổi ion. Vật liệu trao đổi ion phổ biến nhất là nhựa trao đổi ion. Nhìn chung nhựa trao đổi ion được ứng dụng dưới dạng cột lọc, nhồi các hạt nhựa đến độ cao nào đó, khi nước cần xử lý chảy qua sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion giữa pha tĩnh (lớp nhựa trao đổi ion) và pha động (nước cần xử lý) [16] Nghiên cứu sử dụng nhựa trao đổi ion chọn lọc nitrat Purolite A 520E được tiến hành với hàm lượng NO3 là 5, 20, 40, 60, 80, 100, 150 và 200mg/l, lượng nhựa trao đổi ion là 0,010,5g. Các thí nghiệm giải hấp được tiến hành với dung dịch NaCl ở các nồng độ 0,05; 0,1; 0,25; 0,4; 0,5; 0,6M. Tất cả các thí nghiệm đều tiến hành trong 24h ở 30 0C . Các nghiên cứu động học cho thấy sự hấp phụ nitrat của Purolite A 520E tuân theo định luật Langmuir và Dubinin – Radushkevich, dung lượng hấp phụ cực đại tính theo định luật Langmuir là 81,97mg NO3/g nhựa. Hiệu quả hấp phụ đạt cực đại 81% với hàm lượng nhựa là 0,3g/l và nồng độ tối ưu của NaCl trong quá trình giải hấp là 0,6M. 2. Phương pháp thẩm thấu ngược (RO): Thẩm thấu ngược tuân theo nguyên tắc của thẩm thấu. Giữa hai dung dịch nồng độ khác nhau của những chất hòa tan trong dung dịch sẽ có một màng ngăn cách. Màng cho phép một số hợp chất như nước đi qua, nhưng không cho những hợp chất lớn hơn đi qua (màng bán thấm) . Đối Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.09: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Quản Trị Kinh Doanh

81 tài liệu

1637 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.