ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG
--------

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ
ASEN TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG HYĐROXIT SẮT
THEO DẠNG MẺ

NIÊN LUẬN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS.NGUYỄN MẠNH KHẢI

Hà Nội - Năm 2016.


MỤC LỤC
Nội dung

Trang

VÀ BẢNG
Trang
Hình 1. Một mẫu lớn chứa As tự nhiên.................................................................3
Hình 2. Asenic .......................................................................................................3
Hình 3. Mô hình tinh thể As và cấu trúc nguyên tử As.........................................4
Hình 4. Các con đường As thâm nhập vào cơ thể con người...............................6
Hình 5. Động học quá trình As(III) hấp phụ bởi hydroxit sắt theo thời gian.........
..............................................................................................................................13
Hình 6. Động học hấp phụ của As(III) tại giá trị pH khác nhau.........................13
Hình 7. Ảnh hưởng của pH đến lượng As III bị hấp phụ bởi hyđroxit sắt.............

cuộc sống gia đình, khả năng kiếm sống khi mà các cá nhân gặp nạn. Với sự ô nhiễm cao
asen ở một khu vực có thể dẫn đến căng thẳng xã hội, sự nghèo đói, sự giảm giá cả thị
trường do sản phẩm nhiễm bẩn dẫn đến thu nhập của nông dân thấp [8].
Hiện nay, ô nhiễm asen được ước tính có ảnh hưởng đến hơn 150 triệu người trên
thế giới với nồng độ ngày càng cao của nó trong nước uống [7]. Nhiễm độc asen chủ yếu
ở các đồng bằng lớn và các lưu vực sông lớn trên toàn thế giới như ở đồng bằng Bengal,
đồng bằng sông Hồng, đồng bằng sông Cửu Long, Campuchia [4]. Các nguồn nước ngầm


nhiễm độc asen ở Bangladesh đang là mối nguy hiểm lớn nhất trên thế giới đối với người
dân bị ảnh hưởng. Hàng triệu giếng ngầm cấp nước bị nhiễm độc asen, do đó khoảng 80
triệu người có khả năng nhiễm độc asen [8]. Các nghiên cứu hiện đại của Chakraboti
(2010) cho thấy 27,2% số 52.202 mẫu nước các giếng thu thập từ 64 huyện của
Bangladesh có lượng asen cao hơn 0,05 mg/ L. Hơn nữa, Shiai (2011) thu thập 30 mẫu
nước từ tầng nước ngầm cạn qua ống giếng và phân tích asen thì có 26 mẫu cho thấy sự
hiện diện của asen vượt quá giới hạn an toàn 0,05mg/L ở Bangladesh [8]. Vì vậy cần phải
tìm ra các giải pháp nhằm loại bỏ asen khỏi nguồn nước ngầm để bảo vệ sức khỏe của
con người.
Hiện tại trên thế giới và ở Việt Nam đã và đang áp dụng nhiều phương pháp xử lý
asen như: oxi hóa, hấp phụ, trao đổi ion, kết tủa, lắng lọc...Trong đó có nhiều công trình
đã thành công trong việc sử dụng vật liệu mới như đá ong biến tính, nano cacbon....để xử
lý asen. Xuất phát từ thực tế trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu, đánh
giá khả năng xử lý Asen trong nước ngầm bằng hyđroxit sắt theo dạng mẻ”.
2. Mục tiêu của nghiên cứu
-

Nghiên cứu khả năng xử lý asen của sắt (III) hyđroxit và các ứng dụng của sắt(III)

-




đi vào địa tầng và gây ra phản ứng hóa học tạo ra thạch tín từ quặng pyrite trong đất và
nước ngầm nông.
•

Tính chất vật lý của asen
Ở vị trí thứ 33 trong bảng tuần hoàn Mendeleep có cấu trúc electron là:

[Ar]3d10.4s2.4p3. Asen mang nhiều độc tính tương tự như một số kim loại nặng như chì và
thủy ngân, khối lượng phân tử là 74,9216g/mol.
Asen dạng nguyên tố ( hóa trị 0) là dạng không tan trong nước và rất hiếm gặp ở
trạng thái tự do. As là một á kim độc hại được tìm thấy là một chất gây ô nhiễm nước
ngầm nghiêm trọng trên toàn thế giới [5]. Nó tồn tại ở một số dạng thù hình: phi kim loại
và kim loại.
Dạng phi kim loại của As được hình thành khi làm ngưng tụ hơi tạo nên chất rắn
màu vàng gọi là As vàng. As vàng có mạng lưới lập phương, gồm những phần tử As 4 liên
kết với nhau bằng lực Vanderwall, tan trong Cs 2 cho dung dịch gồm những phần tử tứ
diện As4. As vàng kém bền, ở nhiệt độ thường nó chuyển sang kim loại [1].
Dạng kim loại của As có màu bạc trắng, là chất dạng polyme có mạng lưới nguyên
tử, mỗi nguyên tử As liên kết với 3 nguyên tử As bao quanh bằng liên kết As-As. Nó có
khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt, nhưng giòn dễ nghiền thành bột, không tan trong Cs2 [1].


Hình 3: Mô hình tinh thể As và cấu trúc nguyên tử của As
•

Tính chất hóa học của As
Asen có khả năng cộng kết với nhiều các oxit kim loại như Fe, Mg, Al, Zn. Trong


từ glixeandehit-3-photphat. Vì vậy, As xẽ dẫn đến sự tạo thành hợp chất 1-aseno-3photphoglixerat gây cản trở giai đoạn này [1].
Asen (III) ở nồng độ cao làm đông tụ các protein do sự tấn công liên kết của nhóm
sunfua bảo toàn các cấu trúc bậc 2 và bậc 3 [1]. Như vậy, asen tác động theo 3 cơ chế:
làm đông tụ protein, tạo phức với enzim, phá hủy các quá trình photpho hóa.
b

Ảnh hưởng của asen đến sức khỏe con người
Nhiễm độc As thường qua đường hô hấp và tiêu hóa dẫn đến các thương tổn da

như tăng hay giảm màu da, tăng sừng hóa, ung thư da và phổi, ung thư bàng quang, ung
thư thận, ung thư ruột....Ngoài ra, asen còn có thể gây các bệnh khác như: to chướng gan,


bệnh đái đường, bệnh sơ gan.... Khi cơ thể bị nhiễm độc asen, tùy theo mức độ và thời
gian tiếp xúc sẽ biểu hiện những triệu chứng với những tác hại khác nhau, chia ra làm 2
loại sau:
Nhiễm độc cấp tính: Qua đường tiêu hóa khi anhydrit arsenous hoặc chì arsenate
vào cơ thể sẽ biểu hiện các triệu chứng nhiễm độc như rối loạn tiêu hóa (đau bụng, nôn,
bỏng, khô miệng, tiêu chảy nhiều và cơ thể bị mất nước...). Bệnh cũng tương tự như bệnh
tả có thể dẫn tới tử vong từ 12-18 giờ. Trong trường hợp nếu còn sống, nạn nhân có thể bị
viêm da tróc vẩy và viêm dây thần kinh ngoại vi. Một tác động đặc trưng khi bị nhiễm
độc asen dạng hợp chất vô cơ qua đường miệng là sự xuất hiện các vết màu đen và sáng
trên da. Qua hô hấp ( hít thở không khí có bụi, khói có bụi, khói hoặc hơi Asen): có các
triệu chứng như: kích ứng các đường hô hấp với biểu hiện ho, đau khi hít vào, khó thở,
rối loạn thần kinh như nhức đầu, chóng mặt, đau các chi, hiện tượng xanh tím mặt được
cho là tác dụng gây liệt của Asen đối với các mao mạch. Ngoài ra còn có các tổn thương
về mắt như: viêm da mí mắt, viêm kết mạc.
Nhiễm độc mãn tính: Trong môi trường tiếp xúc thường xuyên với asen ở nồng độ
vượt quá độ an toàn nhưng chưa có thể gây độc cấp tính, asen gây nhiễm độc mãn tính và
thường biểu hiện ở các triệu chứng lâm sàng như: mệt mỏi, chán ăn, giảm trọng lượng cơ

Con số bệnh nhân nhiễm độc Asen ở Argentina cũng có tới 20000 người. Ngay cả
các nước phát triển mạnh như Mỹ, Nhật Bản cũng đang phải đối phó với thực trạng ô
nhiễm Asen. Ở Mỹ, theo những nghiên cứu mới nhất cho thấy trên 3 triệu người dân Mỹ
có nguy cơ nhiễm độc Asen, mức độ nhiễm Asen trong nước uống dao động từ 0,0450,092 mg/l. Còn ở Nhật Bản, những nạn nhân đầu tiên có triệu chứng nhiễm Asen đã
được phát hiện từ năm 1971, cho đến năm 1995 đã có 217 nạn nhân chết vì Asen [1].
•

Ô nhiễm Asen ở Việt Nam
Do cấu tạo tự nhiên của địa chất, nhiều vùng của nước ta nước ngầm bị nhiễm

Asen, điển hình là hai vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng và sông Mekong. Theo thống
kê chưa đầy đủ, hiện có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, nhiều giếng trong số này có


nồng độ Asen cao hơn từ 20-50 lần theo tiêu chuẩn của Bộ Y tế và của Tổ chức Y tế Thế
giới WHO (0,01mg/l), gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe, tính mạng của người dân. Mười
triệu người Việt Nam có nguy cơ mắc các bệnh do ăn phải nguồn nước bị nhiễm Asen
cao hơn mức cho phép.
Ở khu vực đồng bằng sông Hồng, nồng độ As trong nước ngầm dao động rất lớn
trong khoảng từ 10g/L và 1 triệu người sử dụng
nước ngầm nhiễm As với nồng độ >50 g/L.
Kết quả điều tra tình hình cấp nước sinh hoạt tại xã Văn Lý, huyện Lý Nhân và
Bình Nghĩa, huyện Bình Lục tỉnh Hà Nam cho thấy các hộ dân chủ yếu sử dụng nước
giếng khoan, nước giếng khơi và nước mưa cho sinh hoạt, ăn uống. Theo điều tra cho
thấy việc khoan giếng để khai nước ngầm của các hộ dân ở Hà Nam không chú ý đến
khoảng cách tối thiểu giữa vị trí giếng với các công trình chăn nuôi, hố xí mà chủ yếu căn
cứ vào các vị trí thuận tiện cho sinh hoạt của hộ gia đình. Kết quả phân tích tại xã Văn Lý
với 10 mẫu nước nghiên cứu thì có 1/10 mẫu có hàm lượng asen dưới 10g/L, 9/10 mẫu


học của hydroxit sắt, bản chất của các phức hợp sắt và các đặc tính của điện tích bề mặt
hấp phụ [10].
Nghiên cứu về khả năng sử dụng hydroxit sắt để hấp phụ As trong nước cho thấy
khoảng pH tối ưu là 6,5-7 và tỷ lệ Fe/As ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng xử lý As, với tỷ
lệ Fe/As > 30, hàm lượng As trong nước có thể đạt dưới 10 mg L -1[2].
2.2.1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
a

Địa điểm lấy mẫu
Mẫu nước được lấy là mẫu nước ngầm sử dụng cho sinh hoạt tại xã Văn Lý, huyện

Lý Nhân và xã Bình Nghĩa, huyện Bình Lục, tỉnh Hà Nam. Tại các xã trên, 10 mẫu nước
được lấy ngẫu nhiên cho mỗi xã.
b

Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích một số chỉ tiêu trong nước: Mẫu nước được đo pH bằng máy đo pH

nhanh tại hiện trường, As được phân tích bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên
tử (AAS) có sử dụng bộ bay hơi hydride HVH-1 trên máy Shimadzu AAS 6800.
- Các thí nghiệm về ảnh hưởng của thời gian, pH, nồng độ kim loại nặng đến khả
năng hấp phụ của hyđroxit sắt. Mỗi thí nghiệm đều được lặp lại 2 lần, kết quả lấy giá trị
trung bình của các lần lặp:
+ Thời gian hấp phụ: Cho vào mỗi bình nhựa 100ml dung dịch Fe(III) có nồng độ
50 mgL-1, điều chỉnh pH của hệ đến khoảng 6,5 bằng NaOH hoặc HNO 3 0,01M. Thêm
vào hệ 1 mL dung dịch có nồng độ As(III) 100 mgL -1, khuấy đều sau các khoảng thời
gian: 1, 5, 10, 15, 25, 30, 40, 60 phút, lọc dung dịch để xác định hàm lượng As còn lại
bằng phương pháp nêu trên.



hyđroxit sắt với hằng số hấp phụ k= 0,486. Phương trình hồi quy với hệ số tương quan
R2= 0,92, sự khác biệt không có ý nghĩa giữa giá trị qe được tính toán hồi quy và thực
nghiệm (19,77 và 19,91) thể hiện phương trình Lagergren mô tả tốt động học hấp phụ
As(III) bởi hyđroxit sắt [2].

Hình 5: Động học quá trình As(III) hấp phụ bởi hyđroxit sắt theo thời gian[2].
Theo một nghiên cứu về động học hấp phụ asen lên sắt hydroxit, cho thấy nồng độ
As so với thời gian phản ứng tại các giá trị pH khác nhau 4, 7, 9, 11 như ở hình:


Hình 6: Động học hấp phụ của As(III) tại giá trị pH khác nhau [11].
Kết quả là việc loại bỏ As(III) tăng theo thời gian hấp phụ và lượng cân bằng đạt
được sau 15 phút nhưng tỷ lệ hấp phụ thấp ở 30-240 phút và nồng độ As không đổi khi
pH tăng. Như vậy, tốc độ loại bỏ As nhanh lúc đầu tại các giá trị pH khác nhau và tỷ lệ
As(III) loại bỏ tốt ở pH trung tính [11].
b

Ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ
Hiệu quả loại bỏ As bởi hyđroxit sắt phụ thuộc chủ yếu vào pH và tỷ lệ Fe/As.

Phân tích mẫu nước ở xã Văn Lý, huyện Lý Nhân và xã Bình Nghĩa, huyện Bình Lục cho
thấy kết quả ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III) của hyđroxit sắt được thể
hiện ở hình. Kết quả pH tối ưu cho xử lý loại bỏ asen nhờ sắt hyđroxit là từ 6,5-7,0, vì tại
pH này khả năng hình thành keo hydroxit sắt điện tích bề mặt dương là lớn nhất. [2].

Hình 7: Ảnh hưởng của pH đến lượng As(III) bị hấp phụ bởi hyđroxit sắt [2].
c

Ảnh hưởng của tỷ lệ chất hấp phụ


Bể lắng kết tủa
Fe(OH)3
Lọc
ép

Thu hồi
bùn
Fe(OH)3

Bể thu
gom
nước
sau xử
lý

Nước đủ
tiêu
chuẩn
Khi xử lý 1 lít nước thải thu được Fe(OH)3 có khối lượng là 85 g.
2

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
a Địa điểm lấy mẫu


Mẫu nước được lấy ở giếng khoan trong các hộ gia đình tại các vị trí ô nhiễm As
trên địa bàn thành phố Hà Nội, cụ thể Thanh Trì, Gia Lâm, Đông Anh, Từ Liêm.
b


Thời gian hấp phụ tối ưu của vật liệu là 30 phút và pH tối ưu là 7 cho hiệu suất xử
lý asen cao.
Bảng 1: Hiệu suất hấp phụ As theo mẻ của vật liệu.


Hiệu suất hấp phụ giữa các mẻ là như nhau và rất ổn định, từ đó cho thấy vật liệu
có tính chất ổn định bề mặt tiếp xúc với nước rất tốt, hiệu suất các mẻ như nhau đạt 90%
nồng độ As của dung dịch sau hấp phụ đều đạt ở QCVN 02/2009 0,01(mg/l) [1].
2.4. Xử lý As (V) trong nước từ vật liệu hấp phụ sắt (III) hydroxit kết hợp bã mía
Cơ chế xử lý As(V) trong nước bởi sắt (III) hydroxit – bã mía đã được nghiên cứu
với ảnh hưởng của các thông số khác nhau là giá trị pH, nồng độ As ban đầu, liều lượng
hấp phụ, thời gian tiếp xúc.... Dung lượng hấp phụ của vật liệu cho As (V) là 22,1 mg/g
trong điều kiện tối ưu pH =4, thời gian tiếp xúc là 3 giờ, nhiệt độ 22 [12].
2.4.1. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
- Chuẩn bị bã mía: Bã mía thu được từ một vùng ngoại ô Hà Nội, Việt Nam đã
được nghiền thành bột trong một nhà máy và rây trong một máy sàng với lỗ lưới 125 –
200 đã được rửa bằng nước khử ion. Không khí khô và bã mía (50g) được thủy phân
bằng 1,15M H2SO4 để loại bỏ tinh bột, protein, đường. Sau đó các hợp chất ligin phân tử
thấp được loại bỏ trong 24 giờ bởi dung dịch NaOH 0,1M. Sau đó chất hấp phụ được sấy
khô trong lò ở 50 và được lưu trữ trong bình hút ẩm.
- Chuẩn bị vật liệu hấp phụ: Bã mía (10g) đã được chế biến ở trên trộn với 300 ml
dung dịch 0,05 M Fe(NO3)3 trong cốc thủy tinh 1 lít trong 48 giờ. Thêm từng giọt NaOH
0,1M vào kết hợp khuấy đều liên tục, giữ cho độ pH giữa 2,8 và 3,5. Sau 48 giờ, mẫu
được lọc và rửa nhiều lần, sấy khô ở 50, bảo quản ở nhiệt độ phòng cho đến khi sử dụng.
- Thí nghiệm hấp phụ mẻ: Một lượng xác định của vật liệu hydroxit sắt(III) – bã
mía được thêm vào 50 ml dung dịch As(V) ở nồng độ khác nhau và lắc đều, sử dụng một
máy quay lắc trong các khoảng thời gian nhất định 15 – 24 giờ. Sau đó lọc hỗn hợp qua
một bộ lọc xenlulozo acetat ( cỡ 2) và phân tích As(V) sử dụng máy HG-AAS. Sự cân
bằng khối lượng của As(V) hấp phụ trên một đơn vị khối lượng của vật liệu (mg/g) được
tính toán bằng cách sau đây: , trong đó Ci và Ce là nồng độ của As(V) (mg/l) ở trạng thái

phụ. Hình dưới đây cho thấy mối quan hệ giữa lượng As(V) hấp phụ trên vật liệu với
nồng độ As(V) khác nhau. Khả năng hấp phụ As(V) tối đa của vật liệu là 22,1 mg/g, giá
trị Kb =0,45.

Hình 13: Hấp phụ đẳng nhiệt của As(V) ở các nồng độ As ban đầu khác nhau [12].


KẾT LUẬN
- Asen là một á kim độc hại được tìm thấy là một chất gây ô nhiễm nước ngầm
nghiêm trọng trên toàn thế giới, đặc biệt là ở vùng đồng bằng lớn và dọc theo các con
sông lớn ở các vùng nghèo. Con người tiếp xúc nhiều và lâu dài với asen sẽ gây ra ngộ
độc As, đó là những biến dạng, dẫn đến các bệnh về da và ung thư nội cơ thể. Người ta
ước tính có hơn 100 triệu người chủ yếu là ở các nước đang phát triển có nguy cơ.
- Ô nhiễm asen trong nước ngầm được phát hiện ở nhiều nơi như Ấn Độ, Trung
Quốc, Đài Loan, Nepal, Myanma, Việt Nam, Arhentina, Meehicoo, Chile, Mỹ...với nồng
độ từ vài trăm đến vài nghìn. Ở Việt Nam, ô nhiễm asen trong nước ngầm được phát hiện
chủ yếu tại đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long. Hàm lượng As ở đồng
bằng sông Hồng tương đối cao, vượt mức tiêu chuẩn cho phép đến 40 lần .
- Asen trong nước ngầm có thể loại bỏ nhờ quá trình hấp phụ bởi hyđroxyt sắt ở
khoảng pH tối ưu là 6,0-6,5, khả năng hấp phụ As bởi hyđroxit sắt đạt 19,9 mg/L. Tỉ lệ
Fe/As ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng xử lý As, với tỷ lệ Fe/As >30, hàm lượng As còn lại
trong nước có khả năng đạt dưới 10g/L.
- Ứng dụng hydroxit sắt (III) trong phế thải ngành mạ hay kết hợp bã mía là các
vật liệu hấp phụ tốt cho xử lý asen.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT
1