BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƢỜNG
--------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ

VẬT LIỆU HẤP PHỤ ASEN VÀ CÔNG NGHỆ
XỬ LÝ NƢỚC NGẦM NHIỄM ASEN TỪ BÙN
THẢI NHÀ MÁY NƢỚC CẤP

GVHD

:

ThS. HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG

SVTH

:

TIÊN ĐỨC HUY

HOÀNG THỊ THANH

TP.HỒ CHÍ MINH – THÁNG 7/2014




lƣợng theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02 2009/BYT.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................
MỤC LỤC .............................................................................................................................
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................................
DANH MỤC HÌNH ..............................................................................................................
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................
1.

Tính cấp thiết của đề tài ..............................................................................................

2.

Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................

3.

Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................

4.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..............................................................................

5.

Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................



Tính chất nguyên tử ..................................................................................

1.2.2.2.

Tính chất vật lí ..........................................................................................

1.2.2.3.

Tính chất hóa học của asen và các hợp chất của asen ..............................

1.2.3.

Các dạng tồn tại và sự chuyển hóa asen trong môi trƣờng ...............................

1.2.3.1.

Asen trong không khí và nƣớc .................................................................


1.2.3.2.

Asen trong đá và quặng ............................................................................

1.2.3.3.

Asen trong đất và vỏ phong hóa ...............................................................

1.2.3.4.


1.3.1.

Phƣơng pháp xử lý asen trên thế giới................................................................

1.3.1.1.

Phƣơng pháp hóa học ...............................................................................

1.3.1.2.

Phƣơng pháp hóa lý ..................................................................................

1.3.1.3.

Phƣơng pháp màng ...................................................................................

1.3.1.4.

Phƣơng pháp sinh học ..............................................................................

1.3.2.

Phƣơng pháp xử lý asen đang đƣợc nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam .......

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ......................................
2.1.

LÝ THUYẾT HẤP PHỤ .........................................................................................

2.2.


2.4.1.

Phƣơng trình Freundlich ..................................................................................

2.5.

MỘT SỐ CHẤT HẤP PHỤ .....................................................................................

CHƢƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ CERAMIC – BÙN SẮT .....
3.1.

BÙN SẮT.................................................................................................................

3.2.

ĐẤT SÉT .................................................................................................................

3.3.

MÙN CƢA ...............................................................................................................

CHƢƠNG 4: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ...................
4.1.

DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, HÓA CHẤT ......................................................................

4.1.1.

Dụng cụ .............................................................................................................


Khảo sát lƣợng mùn cƣa tối ƣu ................................................................

4.2.3.2.

Khảo sát kích thƣớc mùn cƣa tối ƣu ........................................................

4.2.3.3.

Khảo sát lƣợng bùn đỏ tối ƣu ...................................................................

4.2.3.4.

Khảo sát cỡ hạt Ceramic – Bùn sắt tối ƣu ................................................

4.2.4.

Khảo sát hiệu quả hấp phụ asen của vật liệu ở các trƣờng hợp khác nhau .......

4.2.4.1.

Hiệu quả hấp phụ asen khi có mặt mùn cƣa – trấu ..................................

4.2.4.2.

Hiệu quả hấp phụ asen của Ceramic và Ceramic – Bùn sắt .....................

4.2.4.3.

Hiệu quả hấp phụ asen của Ceramic – Bùn sắt rửa và không rửa ............


4.4.2.

Ảnh hƣởng của thời gian hấp phụ .....................................................................

4.4.3.

Nghiên cứu cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt .........................................................

4.4.4.

Nghiên cứu động học hấp phụ ..........................................................................

4.5.

KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ

ASEN CỦA VẬT LIỆU THEO PHƢƠNG PHÁP CỘT...................................................
4.5.1.

Chuẩn bị cột hấp phụ.........................................................................................

4.5.2.

Ảnh hƣởng của pH ............................................................................................

4.5.3.

Ảnh hƣởng của nhiệt độ ....................................................................................



Vận hành mô hình ....................................................................................

4.6.1.3.

Nghiên cứu khả năng xử lý asen qua các lần lọc đầu tiên .......................

4.6.2.

Công nghệ xử lý nƣớc ngầm nhiễm asen quy mô hộ gia đình ..........................


CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .............................................................................
5.1.

ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU ..................................................................................

5.1.1.

Kết quả xác định khối lƣợng riêng của vật liệu ................................................

5.1.2.

Kết quả phân tích thành phần Sắt có trong mẫu ...............................................

5.1.3.

Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) .................................................................................

5.1.4.


CÁC TRƢỜNG HỢP KHÁC NHAU ................................................................................
5.3.1.

Hiệu quả hấp phụ asen khi có mặt mùn cƣa – trấu ...........................................

5.3.2.

Hiệu quả hấp phụ asen của Ceramic và Ceramic – Bùn sắt tối ƣu ...................

5.3.3.

Hiệu quả hấp phụ asen của Ceramic – Bùn sắt rửa và không rửa.....................

5.4.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ASEN CỦA VẬT

LIỆU THEO PHƢƠNG PHÁP GIÁN ĐOẠN ..................................................................
5.4.1.

Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả hấp phụ asen ...................................

5.4.2.

Khảo sát ảnh hƣởng thời gian hấp phụ đến hiệu quả hấp phụ asen ..................

5.4.3.

Cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt ...........................................................................


5.5.6.

Nghiên cứu hấp phụ động trên cột bằng mô hình Bed - Volume .....................

5.6.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH XỬ LÝ NƢỚC NGẦM NHIỄM

ASEN ................................................................................................................................
5.6.1.

Cột lọc asen tích hợp trong mô hình bình lọc nƣớc hai tầng ............................

5.6.1.1.

Thiết kế mô hình ......................................................................................

5.6.1.2.

Kết quả vận hành mô hình bình lọc nƣớc hai tầng ...................................

5.6.1.3.

Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý asen qua các lần lọc đầu tiên ...........

5.6.2.

Công nghệ xử lý nƣớc ngầm nhiễm asen quy mô hộ gia đình ..........................


PHỤ LỤC I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ .................................................................................
I.1.

Tính toán quá trình chuyển khối trong cột................................................................

I.2. Thiết kế mô hình .......................................................................................................
PHỤ LỤC II: TÍNH TOÁN KINH TẾ ..................................................................................
II.1.

Chi phí điện năng tiêu thụ .......................................................................................

II.2.

Chi phí khấu hao thiết bị điều chế ...........................................................................

II.3.

Chi phí công điều chế và thuê vật tƣ .......................................................................


II.4.

Chi phí vỏ nhựa bên ngoài lõi lọc ...........................................................................

PHỤ LỤC III: CÁC SỐ LIỆU KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ............................................
III.1. Điều chế vật liệu......................................................................................................
III.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình hấp phụ theo phƣơng pháp mẻ .........
III.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình hấp phụ theo phƣơng pháp cột .........
III.4. Nghiên cứu thiết kế mô hình xử lý nƣớc ngầm nhiễm asen ..................................
PHỤ LỤC IV: CÁC HÌNH ẢNH ..........................................................................................



Bảng 5.8. Dung lƣợng hấp phụ qe dựa trên tính toán lý thuyết và thực nghiệm ...............
Bảng 5.9. Kết quả nghiên cứu động học giả định bậc nhất và bậc hai của đối với As5+
của vật liệu Ceramic – Bùn sắt tại nồng độ 200 ppb .........................................................
Bảng 5.10. Kết quả nghiên cứu động học giả định bậc nhất và bậc hai của đối với As5+
của vật liệu Ceramic – Bùn sắt tại nồng độ 300 ppb .........................................................
Bảng 5.11. Các tham số phƣơng trình động học giả định bậc nhất đối với As5+ của vật
liệu Ceramic – Bùn sắt. .....................................................................................................
Bảng 5.12. Các tham số phƣơng trình động học giả định bậc hai đối với As5+ của vật
liệu Ceramic – Bùn sắt ......................................................................................................
Bảng 5.13. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của các cation đến quá trình hấp phụ As5+. .......
Bảng 5.14. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của các anion đến quá trình hấp phụ As5+. ........
Bảng 5.15. Hiệu quả khử các cation của vật liệu Ceramic – Bùn sắt................................
Bảng 5.16. Hiệu quả khử các anion của vật liệu Ceramic – Bùn sắt. ...............................
Bảng 5.17. Tóm tắt kết quả chạy cột theo mô hình Bed - Volume ...................................
Bảng 5.18. Các thông số thiết kế mô hình cột lọc asen FC ...............................................
Bảng 5.19. Kết quả chạy mô hình bình lọc nƣớc hai tầng ................................................
Bảng 5.20. Các thông số thiết kế thùng lọc FC quy mô gia đình. .....................................
Bảng I.1. Tóm tắt kết quả chạy cột theo mô hình Bed – Volume .....................................
Bảng I.2. Các thông số thiết kế mô hình cột lọc asen .......................................................
Bảng I.3. Cấu tạo lớp cát lọc và sỏi đỡ trong bể lọc chậm ................................................
Bảng I.4. Tóm tắt các thông số thiết kế bồn lọc chậm ......................................................
Bảng I.5. Các thông số thiết kế thùng lọc FC quy mô gia đình ........................................


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Một mẫu lớn chứa asen tự nhiên .......................................................................
Hình 1.2. Khoáng vật chứa asen ........................................................................................
Hình 1.3. Mô hình tinh thể asen ........................................................................................

Hình 5.16. Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng chảy đến khả năng hấp phụ asen ...........................
Hình 5.17. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch đến khả năng hấp phụ asen .....................
Hình 5.18. Nồng độ đầu ra của As theo mô hình Bed – Volume ......................................
Hình 5.19. Thời gian hấp phụ đạt cân bằng theo mô hình Bed – Volume ........................
Hình 5.20. Mô hình bình lọc nƣớc hai tầng.......................................................................
Hình 5.21. Lõi lọc asen FC thiết kế ...................................................................................
Hình 5.22. Hiệu quả xử lý asen từ mô hình thiết kế ..........................................................
Hình 5.23. Hiệu quả xử lý asen qua các lần lọc đầu tiên ..................................................
Hình 5.24. Sơ đồ công nghệ đề xuất xử lý ngầm nhiễm asen quy mô hộ gia đình ...........
Hình 5.25. Thùng lọc asen FC thiết kế ..............................................................................
Hình II.1. Quy trình điều chế vật liệu Ceramic – Bùn sắt .................................................
Hình II.2. Lõi lọc asen FC .................................................................................................


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AAS

(Atomic absorption spectrometry) Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử

As(III)

Asenite

As(V)

Asenate

BET

(Brunauer-Emmett-Teller) Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng


RO

(Reverse osmosis) Công nghệ thẩm thấu ngƣợc

SEM

(Scanning Electron microscope) Phƣơng pháp xác định đặc điểm bề mặt

của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét
TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TCLP

(Toxicity Characteristic Leaching Procedure) Phƣơng pháp chiết độc
tính

TCCP

Tiêu chuẩn cho phép

UNICEF (United Nations International Children's Emergency Fund) Quỹ Nhi
đồng Liên Hiệp Quốc
WHO

(World Health Organization) Tổ chức Y tế thế giới

XRD

và Tây Bengan Ấn Độ, nhiều nƣớc đã phát hiện hàm lƣợng asen rất cao trong nguồn
nƣớc sinh hoạt nhƣ: Canada, Mỹ, Italia, Nhật, Trung Quốc, Alaska, Chile, Arhentina,
Indonexina, Thái Lan và Việt Nam,…[31].
Tại Việt Nam, việc ô nhiễm asen chủ yếu diễn ra ở những vùng nông thôn hẻo
lánh, ở đó thƣờng không đƣợc cấp nƣớc tập trung mà chủ yếu mang tính tự phát, điều
kiện vệ sinh kém, không có các cơ sở khám chữa bệnh để phòng chống tác hại của
asen. Các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu cách xử lý nguồn nƣớc ngầm nhiễm
asen ở những vùng này để hạn chế sự nhiễm độc asen đến ngƣời dân nơi đây.


Xuất phát từ thực tế trên, nhóm em tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu
điều chế vật liệu hấp phụ asen và công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen từ bùn
thải nhà máy nước cấp” từ sản phẩm của thiên nhiên là bùn sắt, mùn cƣa và đất sét
(gọi là Ceramic – Bùn sắt), từ đó có thế áp dụng vào thực tiễn và đƣa ra công nghệ xử
lý asen hiệu quả, rẻ tiền, dễ làm và phù hợp với điều kiện nông thôn Việt Nam để bảo
vệ sức khoẻ của con ngƣời.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Điều chế vật liệu Ceramic – Bùn sắt từ đất sét, mùn cƣa và bùn sắt từ nhà máy
nƣớc cấp với hiệu quả xử lý asen tối ƣu.
Nghiên cứu thiết kế mô hình cột lọc asen tích hợp trong mô hình bình lọc nƣớc
hai tầng đạt chuẩn QCVN 01 – 2009/BYT dùng cho ăn uống và đánh giá hiệu quả hấp
phụ asen của vật liệu.
Thiết kế thùng lọc asen FC sử dụng cho các hộ gia đình nông thôn, đạt chuẩn kỹ
thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02 - 2009/BYT.
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu điều chế vật liệu hấp phụ asen từ Ceramic – Bùn sắt.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình hấp phụ asen của vật liệu bằng
phƣơng pháp mẻ và phƣơng pháp hấp phụ động trên cột.
- Đánh giá hiệu quả xử lý của các chỉ tiêu As(V), Cu, Pb, Zn, Fe từ vật liệu
Ceramic – Bùn sắt.

cho quá trình hấp phụ.
- Phương pháp đồ thị: Từ các số liệu toán học, dữ liệu thực nghiệm, phƣơng
pháp đồ thị đem lại cái nhìn trực quan, toàn diện, dễ dàng phân tích nhận định về các
kết quả đạt đƣợc, xác định hƣớng nghiên cứu hợp lý nhất.
- Phương pháp so sánh: Phƣơng pháp này dùng để đối chiếu các kết quả đã
nghiên cứu với nhau nhằm chọn ra kết quả có hiệu suất hấp phụ tốt nhất.
6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Trong tình hình hiện nay, việc mở rộng thêm số lƣợng các loại vật liệu hấp phụ có
tính thân thiện với môi trƣờng và tiết kiệm chi phí quản lý, xử lý chất thải có ý nghĩa
rất quan trọng và là một biện pháp nhiều triển vọng và đƣợc áp dụng ở nhiều quốc gia
trên thế giới để xử lý vấn đề ô nhiễm môi trƣờng.


Đề tài “Nghiên cứu điều chế vật liệu hấp phụ asen và công nghệ xử lý nước ngầm
nhiễm asen từ bùn thải nhà máy nước cấp” nhằm tìm ra một loại vật liệu mới có khả
năng loại bỏ asen cũng nhƣ các ion kim loại nặng ra khỏi môi trƣờng bị ô nhiễm. Với
đề tài này nhóm nghiên cứu đã thu đƣợc kết quả:
- Điều chế một loại vật liệu Ceramic – Bùn sắt với tỉ lệ các thành phần bùn sắt,
mùn cƣa và đất sét đạt hiệu quả xử lý asen tối ƣu, có thể đƣa vào ứng dụng thực tiễn,
giúp ngƣời dân nông thôn có thêm một loại vật liệu rẻ tiền có thể xử lý tốt asen.
- Ứng dụng cột lọc asen tích hợp trong mô hình bình lọc nƣớc hai tầng để loại
bỏ asen và các tạp chất ô nhiễm sử dụng trong các hộ gia đình và các khu vực có
nguồn nƣớc ngầm bị nhiễm asen, cung cấp nguồn nƣớc sạch và an toàn cho gia đình.
- Thiết kế thùng lọc asen FC để khử asen ở những vùng có nguồn nƣớc ngầm bị
ô nhiễm với quy mô hộ gia đình với mục đích sử dụng cho sinh hoạt hằng ngày.
Kết quả của đề tài còn là cơ sở khoa học để tiếp tục các nghiên cứu về tính chất
hấp phụ của Ceramic – Bùn sắt đối với các kim loại nặng.


CHƢƠNG 1

công nghệ xử lý asen đƣợc tiến hành trong cả nƣớc.


Một kết quả khảo sát về mức độ ô nhiễm asen trong nƣớc ngầm của Viện Công
nghệ Môi trƣờng năm 2004 thuộc dự án “Điều tra diện rộng phát hiện sự ô nhiễm asen
trong nƣớc giếng khoan ở 12 tỉnh của Việt Nam” cho thấy, trong 12 tỉnh thành đƣợc
khảo sát chỉ có 3 tỉnh thành là Thành phố Hồ Chí Minh, Long An và Huế chƣa phát
hiện thấy nhiễm asen, còn các tỉnh thành còn lại bị ô nhiễm khá trầm trọng [24]. Tại
lƣu vực sông Mêkông, trong 4 tỉnh đƣợc khảo sát, đáng chú ý là tại tỉnh Đồng Tháp có
41,51% số giếng có hàm lƣợng asen vƣợt quá 10 g/l, trong đó hàm lƣợng asen vƣợt
quá 200 g/l lên tới 23,58%, thậm chí có nơi hàm lƣợng asen lên tới 1.000 g/l. Các
tỉnh thuộc lƣu vực sông Hồng (tỉnh Hà Nam, Nam Định, Hà Tây, Hƣng Yên và Hải
Dƣơng) đều bị phát hiện có nhiễm asen trong nƣớc ngầm. Trầm trọng nhất là các tỉnh:
Hà Nam, Nam Định, Hà Tây. Kết quả khảo sát 7 huyện trong tỉnh Hà Nam cho thấy
58,56% số giếng khoan có hàm lƣợng asen vƣợt quá 10 g/l, trong đó số lƣợng giếng
có hàm lƣợng asen vƣợt quá 200 g/l lên tới 10,35%. Tại tỉnh Nam Định có 28,96%
số giếng có hàm lƣợng asen vƣợt quá 10 g/l, trong đó số giếng có hàm lƣợng asen
vƣợt quá 200 g/l chiếm khoảng 7,5%. Tại tỉnh Hà Tây có tới 46,78% số giếng có
hàm lƣợng asen vƣợt quá 10 g/l, trong đó số giếng có hàm lƣợng asen vƣợt quá 200
g/l chiếm khoảng 3,14% [10].
Từ những kết quả khảo sát trên, có thể thấy rằng nguồn nƣớc ngầm ở Việt Nam
bị nhiễm asen trên diện rộng, mức độ ô nhiễm khá trầm trọng, tƣơng đƣơng với mức
độ ô nhiễm ở Bangladesh [5]. Trong khi đó ở các vùng đô thị mới và nông thôn tỉ lệ
ngƣời dân sử dụng nƣớc ngầm (nƣớc giếng khoan) có hàm lƣợng asen làm nƣớc ăn
uống vẫn còn nhiều. Theo thống kê chƣa đầy đủ, cả nƣớc hiện có khoảng hơn 1 triệu
giếng khoan, trong đó có nhiều giếng có nồng độ asen cao hơn từ 20 - 50 lần nồng độ
cho phép (10 g/l), ảnh hƣởng xấu đến sức khoẻ, tính mạng của cộng đồng. Do đó,
nguy cơ ngƣời dân bị nhiễm các bệnh liên quan tới sử dụng nguồn nƣớc ô nhiễm asen
trong thời gian dài là khó tránh khỏi. Theo báo cáo của Cục Y tế Dự phòng – Bộ Y tế
(2008), hiện nay tại Việt Nam số ngƣời có nguy cơ mắc bệnh do tiếp xúc với asen đã

Về tính chất nguyên tử của asen đƣợc tóm tắt nhƣ sau [7]:
-

Bán kính nguyên tử: 115 pm