Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết nối
Luận văn ThS. Hóa môi trường -- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2011
Trình bày tổng quan về: hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lí các hợp chất chứa nitơ trong nước cấp (ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ trong nước cấp, tiêu chuẩn về nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong nước cấp của thế giới, nguyên nhân, tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với cơ thể con người và Việt Nam, các nguồn gây ô nhiễm amoni); các phương pháp tách loại amoni (phương pháp sinh học tách loại amoni, các phương pháp hóa lý và hóa học tách loại amoni); Laterite; giới thiệu chung về công nghệ nano. Giới thiệu ý tưởng, đối tượng, mục tiêu nghiên cứu cũng như danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu; phương pháp nghiên cứu: chế tạo vật liệu MnO2 mang trên laterit bằng phương pháp ngâm phủ, chế tạo vật liệu MnO2 có kích thước nanomet mang trên laterit bằng phương pháp ngâm phủ; phương pháp phân tích: xác định hàm lượng amoni bằng phương pháp so màu với thuốc thử Nessler, hàm lượng Nitrit trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử Griss, xác định nitrat trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử Phenoldisunfonic, xác định nồng độ mangan (Mn2+) trong nước bằng phương pháp Pesunphat. Kết quả và thảo luận: Chế tạo vật liệu VL1, VL2, khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL1 và VL2. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2 bằng mô hình động, một số cơ chế giả định cho quá trình oxi hoá

CHƢƠNG I – TỔNG QUAN ......................................................................................... 2
1.1. Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lí các hợp chất chứa nitơ trong
nƣớc cấp ................................................................................................................... 2
1.1.1. Tiêu chuẩn về nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong nƣớc cấp của thế giới
và Việt Nam ......................................................................................................................................2
1.1.1.1. Thế giới ............................................................................................................. 2
1.1.1.2. Việt Nam ........................................................................................................... 2
1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ trong nƣớc cấp ................................ 2
1.1.3. Nguyên nhân ........................................................................................................ 4
1.1.4. Tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với cơ thể con ngƣời .............................. 4
1.1.5. Các nguồn gây ô nhiễm amoni.............................................................................. 5
1.1.5.1 Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên............................................................... 5
1.1.5.2. Nguồn gốc gây ô nhiễm do con ngƣời .............................................................. 6
1.2. Các phƣơng pháp tách loại amoni............................................................................ 6
1.2.1. Phƣơng pháp sinh học tách loại amoni ................................................................. 7
1.2.1.1. Quá trình nitrat hóa ........................................................................................... 7
1.2.1.2. Quá trình denitrat hoá ....................................................................................... 8
1.2.2. Các phƣơng pháp hóa lý và hóa học tách loại amoni .......................................... 9
1.2.2.1. Phƣơng pháp MAP............................................................................................. 9
1.2.2.2. Làm thoáng để khử amoni.................................................................................. 9
1.2.2.3. Phƣơng pháp clo hoá đến điểm đột biến.......................................................... 10
1.2.2.4. Phƣơng pháp trao đổi ion................................................................................. 11
1.2.2.5. Phƣơng pháp hấp phụ ...................................................................................... 11
1.3. Laterite .................................................................................................................. 11
1.4. Giới thiệu chung về công nghệ nano ..................................................................... 13
1.4.1. Một số khái niệm chung...................................................................................... 13
1.4.2. Ứng dụng của công nghệ nano............................................................................ 14
1.5. Các phƣơng pháp điều chế vật liệu nano ............................................................... 16
1.5.1. Các phƣơng pháp chung điều chế vật liệu nano ................................................ 16
CHƢƠNG 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................... 19
2.1. Ý tƣởng nghiên cứu................................................................................................ 19
2.2. Đối tƣợng nghiên cứu ........................................................................................... 19
2.3. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................... 19
2.4. Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu .......................................... 20
2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................................... 21
2.5.1. Chế tạo vật liệu MnO2 mang trên laterit bằng phƣơng pháp ngâm phủ ............. 21
2.5.2. Chế tạo vật liệu MnO2 có kích thƣớc nanomet mang trên laterit bằng
phƣơng pháp ngâm phủ...................................................................................... 21
2.6. Phƣơng pháp phân tích .......................................................................................... 22
2.6.1. Xác định hàm lƣợng amoni bằng phƣơng pháp so màu với thuốc thử Nessler .. 22
2.6.2. Xác định hàm lƣợng Nitrit ( NO2  ) trong nƣớc bằng phƣơng pháp so màu
với thuốc thử Griss ............................................................................................. 25 2.6.3. Xác định nitrat ( NO3  ) trong nƣớc bằng phƣơng pháp so màu
với thuốc thử Phenoldisunfonic ......................................................................... 27
2.6.4. Xác định nồng độ mangan (Mn2+) trong nƣớc bằng phƣơng pháp Pesunphat ... 29
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 30
3.1. Chế tạo vật liệu VL1 .............................................................................................. 30
3.2. Chế tạo vật liệu VL2 .............................................................................................. 30
3.3. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL1.................................................. 34
3.3.1. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL1 theo thời gian........................ 34
3.3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của vật liệu VL1 trong điều kiện kín khí..... 35
3.3.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu ..................................... 35
3.3.2.2. Xác định tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu............................................... 36
3.3.2. Khảo sát khả năng oxi hóa amoni của vật liệu VL1 ........................................... 39
3.4. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2.................................................. 40
3.4.1. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2 theo thời gian........................ 40
3.4.2. Khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của vật liệu VL2 trong điều kiện kín khí.... 41
3.4.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu VL2 ............................. 41
3.4.2.2. Xác định tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu............................................... 42
3.4.3. Khảo sát khả năng oxi hóa amoni của vật liệu VL2 ........................................... 44
3.5. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu VL2 bằng mô hình động................. 48
3.6. Một số cơ chế giả định cho quá trình oxi hoá........................................................ 50
KẾT LUẬN................................................................................................................... 53
Tài liệu tham khảo......................................................................................................... 54
Theo khảo sát của các nhà khoa học, phần lớn nƣớc ngầm ở vùng đồng bằng
Bắc Bộ nhƣ Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Hải Dƣơng... đều bị nhiễm bẩn amoni
( NH4  ) rất nặng, vƣợt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần.
Tại Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dƣơng, Hƣng
Yên, Thái Bình, xác suất các nguồn nƣớc ngầm nhiễm amoni ở nồng độ cao hơn
tiêu chuẩn là khoảng 70 - 80%.
Theo tiêu chuẩn vệ sinh nƣớc ăn uống, dựa trên Quyết định số 1329 của Bộ
Y tế, nƣớc sinh hoạt đạt chuẩn ở mức hàm lƣợng amoni là 1,5 mg/L. Trên thực tế,
kết quả phân tích các mẫu nƣớc đều vƣợt quá chỉ tiêu cho phép, nhiều nơi cao hơn
từ 20 đến 30 lần. Tầng nƣớc ngầm trên (cách mặt đất từ 25m đến 40m) - nơi ngƣời
dân khai thác bằng cách đào giếng khoan - đã ô nhiễm nặng ở nhiều nơi. Điển hình
là xã Pháp Vân có hàm lƣợng amoni là 31,6 mg/L, phƣờng Tƣơng Mai có hàm
lƣợng amoni 13,5 mg/L, các phƣờng Trung Hòa, xã Tây Mỗ, xã Trung Văn... đều
có hiện trạng tƣơng tự.
Nguy hại hơn, mức ô nhiễm đang tăng dần theo thời gian. Trong năm 2002,
tại xã Yên Sở, hàm lƣợng amoni là 37,2 mg/L, hiện nay đã tăng lên 45,2 mg/L; tại
phƣờng Bách Khoa, mức nhiễm từ 9,4 mg/L, nay tăng lên 14,7 mg/L; có nơi chƣa
từng bị nhiễm amoni, song nay cũng đã vƣợt tiêu chuẩn cho phép nhƣ Long Biên,
Tây Mỗ, Đông Ngạc... Hiện nay, bản đồ nguồn nƣớc nhiễm bẩn đã lan rộng trên
toàn thành phố.
Tầng nƣớc ngầm dƣới (cách mặt đất từ 45m đến 60m) là nguồn cung cấp cho
các nhà máy cũng bị nhiễm bẩn. Đề tài "Nghiên cứu xử lý nƣớc ngầm nhiễm bẩn
amoni" do Sở Giao thông Công chính Hà Nội nghiệm thu năm 2010 cho thấy: "Do
cấu trúc địa chất, nƣớc ngầm, nhà máy nƣớc Pháp Vân, Hạ Đình, Tƣơng Mai có
hàm lƣợng sắt và amoni ( NH4  ) vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép khá nhiều. Tại nhà
máy Tƣơng Mai, hàm lƣợng NH4  là 6 – 12 mg/L, có khi lên tới 18 mg/L; tại Hạ
Đình, hàm lƣợng NH4+ là 12 – 20 mg/L, có khi lên tới 25 mg/L; tại Pháp Vân, hàm
lƣợng NH4+ là 15 – 30 mg/L, có khi lên tới 40 mg/L [1, 2, 3].
1.1.3. Nguyên nhân
Ô nhiễm nƣớc bởi các hợp chất chứa nitơ có thể là do quá trình thấm xuyên
nƣớc mặt xuống các tầng phía dƣới qua các cửa sổ địa chất thủy văn. Các chất ô
nhiễm nhƣ các hợp chất chứa nitơ sẽ từ nƣớc mặt thấm xuống nƣớc dƣới đất. Đó là
nguyên nhân gây ô nhiễm nƣớc ngầm. Nhƣ vậy, nếu nguồn nƣớc mặt bị ô nhiễm thì
dẫn đến nguồn nƣớc ngầm cũng bị ô nhiễm. Ngoài ra, quá trình lắng đọng giữ lại
hàng loạt các hợp chất chứa nitơ từ các quá trình tự nhiên (aminoaxit, amit, hợp
chất nitơ dị vòng…) cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm nƣớc bởi các hợp chất chứa
nitơ. Ở môi trƣờng pH từ 6 – 8, hợp chất chứa nitơ chủ yếu là NH4+. Amoni có thể
xuất hiện trong nƣớc ngầm từ nƣớc thải sinh hoạt, bãi chôn lấp phế thải, nghĩa
trang… do kết quả của quá trình amôn hóa – phân hủy các hợp chất chứa nitơ nhƣ
đạm, nƣớc tiểu và axit nucleic… bởi vi sinh vật hay do việc sử dụng phân bón,
thuốc trừ sâu có chứa nitơ trong nông nghiệp [3, 7].
1.1.4. Tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với cơ thể con người
Các hợp chất chứa nitơ có thể tồn tại dƣới dạng các hợp chất hữu cơ, chứa
nitơ hay dạng vô cơ nhƣ: nitrit, nitrat và amoni. Amoni thực ra không quá độc đối
với cơ thể ngƣời. Ở trong nƣớc ngầm, amoni không thể chuyển hóa đƣợc do thiếu
oxy. Khi khai thác lên, vi sinh vật trong nƣớc nhờ O2 trong không khí chuyển amoni
thành các nitrit (NO2-), nitrat (NO3-). Các hợp chất chứa nitơ trong nƣớc có thể gây
nên một số bệnh nguy hiểm cho ngƣời sử dụng nƣớc.
Trong những thập niên gần đây, mức NO3- trong nƣớc uống tăng lên đáng kể.
Nguyên nhân là do sự sử dụng phân đạm vô cơ tăng, gây rò rỉ NO3- xuống nƣớc
ngầm. Hàm lƣợng NO3- trong nƣớc uống tăng gây ra nguy cơ về sức khoẻ đối với
cộng đồng. Bản thân NO3- không gây rủi ro cho sức khỏe, nhƣng NO3- khi chuyển
thành NO2- sẽ gây độc. NO2- ảnh hƣởng đến sức khoẻ với 2 khả năng sau: hội chứng
máu Methaemoglobin và ung thƣ tiềm tàng [1].
* Chứng máu Methaemo- globinaemia (hội chứng xanh xao trẻ em)
Trẻ nhỏ khoảng 1 tuổi dễ mẫn cảm với sự tồn lƣu huyết cầu tế bào thai do
trong dạ dày không có đủ độ chua để hạn chế sự chuyển hoá NO3- thành NO2-. NO2-
hình thành ở dạ dày, truyền qua đƣờng máu, phản ứng với huyết sắc tố mang oxy,
oxy hoá sắt để tạo thành huyết Methaemoglobin làm giảm khả năng mang oxy của
máu, có khả năng gây tử vong do "ngột ngạt hóa chất". Những quốc gia có NO3- cao
phải cấp nƣớc chai có nồng độ NO3- thấp cho các bà mẹ đang cho con bú và cho trẻ
em đƣợc nuôi bằng sữa bình.
* Ung thư tiềm tàng
Đối với ngƣời lớn, nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm
thành một họ chất nitrosamin. Nitrosamin có thể gây tổn thƣơng di truyền tế bào -
nguyên nhân gây bệnh ung thƣ. Những thí nghiệm cho nitrit vào thức ăn, nƣớc uống
của chuột, thỏ... với hàm lƣợng vƣợt ngƣỡng cho phép thì sau một thời gian thấy
những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng.
Ngoài ra, amoni có mặt trong nƣớc ngầm làm giảm hiệu quả của khâu khử
trùng bằng clo, do nó phản ứng với clo để tạo thành các cloramin, có tác dụng sát
khuẩn yếu hơn nhiều so với clo (khoảng 1000 lần). Ngoài ra, nó còn giảm khả năng
xử lý sắt, mangan bằng công nghệ truyền thống. Amoni là nguồn dinh dƣỡng, tạo
điều kiện cho các vi sinh vật trong nƣớc (kể cả tảo) phát triển nhanh, làm ảnh hƣởng
đến chất lƣợng nƣớc thƣơng phẩm, đặc biệt là độ trong, mùi, vị, nhiễm khuẩn [4].
1.1.5. Các nguồn gây ô nhiễm amoni.
1.1.5.1 Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên
Nitơ từ đất, nƣớc, không khí vào các cơ thể sinh vật qua nhiều dạng biến đổi
sinh học, hoá học phức tạp rồi lại quay trở về đất, nƣớc, không khí tạo thành một
vòng khép kín gọi là chu trình nitơ.
Trong đất, nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất nitơ hữu cơ. Lƣợng này càng
đƣợc tăng lên do sự phân huỷ xác động, thực vật, chất thải động vật. Hầu hết, thực
vật không thể trực tiếp sử dụng những dạng nitơ hữu cơ này mà phải nhờ vi khuẩn
trong đất chuyển hoá chúng thành những dạng vô cơ mà thực vật có thể hấp thụ
đƣợc. Khi đƣợc rễ cây hấp thụ qua các quá trình biến đổi hóa học, chúng sẽ tạo
thành enzim, protein, clorophin… Nhờ đó, thực vật lớn lên và phát triển. Con ngƣời
và động vật ăn thực vật, sau đó, thải cặn bã vào đất cung cấp trở lại nguồn nitơ cho thực vật. Một số loài thực vật có nốt sần nhƣ: cây họ đậu, cỏ ba lá, cây đinh
lăng…có thể chuyển hoá nitơ trong khí quyển thành dạng nitơ sử dụng đƣợc cho
cây.
1.1.5.2. Nguồn gốc gây ô nhiễm do con người.
Ngoài quá trình hình thành theo con đƣờng tự nhiên, lƣợng ion NO3-, NO2-,
NH4+ trong chu trình còn đƣợc tăng lên do chất thải của các nhà máy sản xuất phân
đạm, chất thải khu đô thị có hàm lƣợng nitơ cao.
Nguồn ô nhiễm nitơ trong nƣớc bề mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau:
hoạt động công nghiệp, hoạt động nông nghiệp, hoạt động sinh hoạt của con
ngƣời…
Các ngành công nghiệp sử dụng nitrat trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ô
nhiễm nguồn nƣớc. Nitrat đƣợc thải qua nƣớc thải hay rác thải. Hệ thống ống khói
của các nhà máy này còn chứa nhiều nitơ oxit; khi thải vào khí quyển, gặp mƣa và
một số quá trình biến đổi hoá học khác, chúng rơi xuống đất dƣới dạng HNO3,
HNO2 hay muối của các axit này. Do đó, hàm lƣợng của các ion này trong nƣớc
tăng lên.
Nông nghiệp hiện đại là nguồn gây ô nhiễm lớn cho nƣớc. Việc sử dụng
phân bón hoá học chứa nitơ (thuốc trừ sâu, diệt cỏ,…) bừa bãi, không hợp lý thông
qua quá trình rửa trôi, thấm, lọc làm cho lƣợng nitrat, amoni trong nƣớc bề mặt và
nƣớc ngầm ngày càng lớn.
Nƣớc thải sinh hoạt cũng có chứa một hàm lƣợng nitơ nhất định. Việc nƣớc
thải sinh hoạt không đƣợc xử lý chảy vào hệ thống các con sông trong thành phố
cũng là một trong các nguồn gốc gây ô nhiễm nƣớc [7].
1.2. Các phƣơng pháp tách loại amoni
Amoni là một thành phần rất hay gặp trong nƣớc thải cũng nhƣ nguồn nƣớc
cấp. Các nguồn nƣớc chứa hợp chất của nitơ có thể gây độc đối với động vật thủy
sinh, làm giảm nồng độ oxi trong nƣớc, gây ra hiện tƣợng phú dƣỡng và ảnh hƣởng
đến khả năng loại bỏ clo. Vì vậy, loại bỏ nitơ có trong các nguồn nƣớc thải là cần thiết. Các hợp chất chứa nitơ trong nƣớc có thể đƣợc loại bỏ bởi các quá trình sinh
học hay các quá trình kết hợp giữa hóa học và vật lý.
Rất nhiều phƣơng pháp xử lí amoni trong nƣớc ngầm đã đƣợc các nƣớc trên
thế giới thử nghiệm và đƣa vào áp dụng nhƣ: làm thoáng để khử NH3 ở môi trƣờng
pH cao (pH = 10 - 11); clo hóa với nồng độ cao hơn điểm đột biến (break-point)
trên đƣờng cong hấp thụ clo trong nƣớc, tạo cloramin; trao đổi ion NH4  và NO3 
bằng các vật liệu trao đổi cation/ anion nhƣ Klynoptilolyle hay Sepiolite; phƣơng
pháp hấp phụ, phƣơng pháp oxi hóa, nitrat hóa bằng phƣơng pháp sinh học; nitrat
hóa kết hợp với khử nitrat; công nghệ Annamox, Sharon/Annamox; phƣơng pháp
điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều …
1.2.1. Phƣơng pháp sinh học tách loại amoni. [1, 18]
Quá trình nitrat hoá sinh hoá đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái trên
trái đất, đặc biệt là với chu trình của nitơ. Đây là phƣơng pháp truyền thống để xử lí
amoni, là quá trình chuyển hoá sinh hoá các hợp chất hữu cơ chứa nitơ có tính khử
thành các hợp chất vô cơ có tính oxi hoá. Amoni đƣợc xử lý qua 2 giai đoạn: giai
đoạn nitrat hoá và giai đoạn đề nitrat hoá.
1.2.1.1. Quá trình nitrat hóa (Nitrification process):
Các loại vi sinh vật tham gia vào quá trình nitrat hoá gồm Nitrosomonas và
Nitrobacter.
Sự oxi hoá của NH4  xảy ra theo 2 bƣớc nhƣ sau:
Bƣớc 1: Amoni đƣợc oxi hoá thành nitrit
NH4  + 3/2O2  Nitrosomon   as NO2  + 2H + H O 2 (1)
Bƣớc 2: Oxi hoá
NO2  thành NO3 
NO2  + 1/2O2  Nitrobacte   r NO3  (2)
Phƣơng trình tổng cộng có thể viết nhƣ sau:
NH4  + 2O2  NO3  + 2 H + H O 2 (3)

Gp21yGQZuqjsiW4

---