Nhiệm vụ của đề tài

Chương 1



TỔNG QUAN



1.1. Tổng quan về Asen

1.1.1. Asen

Asen (As) là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong vỏ trái đất, thứ 14 trong nước

biển và thứ 12 trong cơ thể con người. As là nguyên tố hóa học thuộc phân nhóm

chính nhóm V trong bảng Hệ thống tuần hoàn Mendeleep. As có thể tồn tại trong hợp

chất vô cơ hoặc hữu cơ với bốn mức hóa trị là: -3, 0, +3 và +5. Trong nước tự nhiên,

As tồn tại chủ yếu ở 2 dạng hợp chất vô cơ là asenat [As(V)], asenit [As(III)]. As(V)

là dạng tồn tại chủ yếu của As trong nước bề mặt và As(III) là dạng chủ yếu của As

trong nước ngầm.

1.1.2. Tác hại của Asen đối với sức khỏe

Ngộ độc asen là các bệnh kinh niên do sử dụng nước uống có chứa asen ở nồng

độ cao trong một khoảng thời gian dài (Asvà nhiều hợp chất của nó là những chất độc

cực kỳ có hiệu nghiệm). Asen phá vỡ việc sản xuất ATP thông qua vài cơ chế. Ở cấp

độ của chu trình axít citric, asen ức chế pyruvat dehydrogenaza và bằng cách cạnh

tranh với phốtphat nó tháo bỏ phốtphorylat hóa ôxi hóa, vì thế ức chế quá trình

khử NAD+ có liên quan tới năng lượng, hô hấp của ti thể và tổng hợp ATP. Sản sinh

của perôxít hiđrô cũng tăng lên, điều này có thể tạo thành các dạng ôxy hoạt hóa và

sức căng ôxi hóa. Các can thiệp trao đổi chất này dẫn tới cái chết từ hội chứng rối

loạn chức năng đa cơ quan. Các hiệu ứng bao gồm sự thay đổi màu da, sự hình thành

của các vết cứng trên da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận và bàng quang cũng

như có thể dẫn tới hoại tử. Tổ chức y tế thế giới (WHO) đã đề nghị mức giới hạn của

asen là 0,01 mg/L trong nước uống.



6



1.2. Tìm hiểu về nước ngầm Việt Nam

1.2.1. Nước ngầm

Nước ngầm là chỉ loại nước nằm bên dưới bề mặt đất trong các không

gian rỗng của đất và trong các khe nứt của các thành tạo đá, và các không gian rỗng

này có sự liên thông với nhau. Một đơn vị đá hoặc các dạng tích tụ vật liệu không cố

kết được gọi là tầng chứa khi nó có thể cung cấp một lượng nước có thể sử dụng

được. Ở Việt Nam việc khai thác nước ngầm là phổ biến, các hình thức: giếng

đào, giếng khoan, giếng khoan nhà máy nước... Đối với nhiều đô thị, chẳng hạn

như Hà Nội, nguồn cung cấp nước chủ yếu là nước ngầm.

1.2.2. Thực trạng ô nhiễm Asen trong nước ngầm ở Việt Nam

Vì ở trong điều kiện yếm khí (anaerobic), hầu hết arsenic trong nước ngầm ở

Việt Nam ở dưới dạng arsenite [As(III)], một hợp chất arsenic hữu cơ có độc tính cao

nhất. Khi tiếp xúc với không khí hay tia tử ngoại (ultra violet), arsenite bị oxy hóa

thành arsenate [As(V)] ít độc hơn. Khu vực bị ô nhiễm Asen cao nhất là ở đồng bằng

sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long. ÐBSH và ÐBSCL được cấu tạo bởi phù sa

mới trong thời kỳ Holocene và Pleistocene nên nước ngầm ở hai vùng nầy có đặc tính

gần giống nhau, đó là chứa nhiều sắt (iron), manganese, và ammonium. Kết quả phân

chất cho thấy nồng độ của sắt có thể lên đến 56 milligram/lít (mg/l) (trung bình 2,26

mg/l) trong các mẩu nước ngầm ở An Giang và Ðồng Tháp vào năm 2004 và 48 mg/l

(trung bình 13 mg/l) trong các mẩu nước ngầm ở gần Hà Nội vào năm 2002 [24]. Sự

hiện diện của sắt rất quan trọng trong việc loại trừ hoặc làm giảm nồng độ arsenic

trong nước ngầm, vì arsenate kết hợp với Fe(III) để thành FeAsO 4 rồi bị loại ra khỏi

7



nước ngầm khi kết tủa với Fe(OH) 3. Khu vực đồng bằng 8ung Hồng bao gồm Hà Nội

và các tỉnh phía nam Hà Nội như Hà Nam là những khu vực có hàm lượng Asen cao.



Bản đồ các khu vực nhiễm Asen trên toàn quốc

1.3. Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm

1. 3.1. Xử lý bằng công nghệ xử lý giàn mưa

Nước nguồn hay nước giếng khoan thường tồn tại dưới dạng Fe2+, Mn2+. Giàn

mưa có tác dụng oxy hoá chuyển đổi thành Fe 3+ và Mn4+ và một số tác nhân mang

tính khử khác như As (III) cũng được oxy hoá lượng nhỏ.

1.3.2. Xử lý bằng bể lắng

Đây là phương pháp sử lý Asen mà dân gian thường sử dụng, phương pháp này

cũng gần giống với giàn mưa chỉ khác là nước được lắng tĩnh và dùng ánh nắng mặt

trời và oxy để lắng và loại bỏ Asen.

1.3. 3. Xử lý bằng bể lọc

Tuỳ theo điều kiện sử dụng, có thể xây dựng bể theo kích thước khác nhau.

8



Bể lọc được sử dụng các lớp vật liệu lọc như than hoạt tính, cát, sỏi…Nước sẽ thấm

qua lớp than hoạt tính có tác dụng hấp thụ các chất độc hại, các loại vi sinh vật nguy

hiểm và trung hoà khoáng chất khó tan trong nước, sau đó nước tiếp tục thấm qua lớp

cát và lớp sỏi.

1.3.4. Công nghệ NanoVAST (Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 kết nối với các

kỹ thuật khác)

Trong công nghệ NanoVAST, một hệ thống tiền xử lý theo kỹ thuật thông

thường được lắp đặt trước hệ thống hấp phụ. Nhiệm vụ của hệ thống này là bão hòa

oxy không khí nhằm tách loại triệt để Fe, Mn… và qua đó giảm tối đa nồng độ asen

và các chất rắn lơ lửng. Hiệu quả làm việc của hệ thống này là rất quan trọng nhằm

giảm tải và chống làm bẩn các chất hấp phụ. Tùy theo từng nguồn nước hệ thống này

có thể được thiết kế khác nhau.

Ưu điểm: Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 hấp phụ với tốc độ nhanh với

dung lượng rất cao, khi cân bằng nồng độ asen trong nước nhỏ hơn tiêu chuẩn cho

phép (10 ppb). Việc ghép nối hệ thống tiền xử lý với hệ thống lọc nano trên nền vật

liệu NC-F20 và NC-MF cho phép kéo dài thời gian làm việc do nồng độ asen đầu vào

của cột hấp phụ NC-F20 giảm, tăng thời gian sống của NC-MF và NC-F20 và làm

giảm giá thành.

Nhược điểm: Việc kết nối Nano VAST với hệ thống tiền xử lý thông thường

(oxy hóa, lắng, lọc) vẫn sinh ra nhiều cặn rắn (trong bể lắng) chứa nồng độ cao của

asen và chi phí sẽ tăng lên do tốn thiết bị (thiết bị lắng. Thiết bị lọc thô và vật liệu

CIM…).

1.3.5. Keo tụ - Kết tủa

Cộng kết tủa – lắng – lọc đồng thời với quá trình xử lý sắt và/hoặc mangan có

sẵn trong nước ngầm tự nhiên. Đây là phương pháp xử lý đơn giản nhất, bằng cách

bơm nước ngầm từ giếng khoan, sau đó làm thoáng để ôxy hóa sắt, mangan, tạo

hydroxyt sắt và mangan kết tủa. Asen (III) được oxy hóa đồng thời thành As (V), có

khả năng hấp phụ lên bề mặt của các bông keo tụ Hydroxyt Sắt hay Mangan tạo

thành và lắng xuống đáy bể, hay hấp phụ và bị giữ lại lên bề mặt hạt cát trong bể lọc.

Nghiên cứu của Trung tâm KTMT ĐT & KCN (CEETIA), Trường ĐHXD và Trung

tâm CNMT & PTBV (CETASD), Trường ĐHKHTN năm 2000 – 2002 cho thấy công

nghệ hiện đại có tại các nhà máy nước ở Hà Nội, chủ yếu để xử lý sắt và mangan, cho

phép loại bỏ 50 – 80% Asen có trong nước ngầm mạch sâu khu vực Hà Nội. Nghiên

cứu gần đây của CETASD và Viện Công nghệ Môi trường Liên bang Thụy Sĩ cho

9



thấy đối với các hộ gia đình sử dụng giếng khoan đơn lẻ, nơi có hàm lượng sắt cao

trong nước ngầm, mô hình làm thoáng nước ngầm bằng cách phun mưa trên bề mặt

bể lọc cát (lọc chậm), phổ biến ở các hộ gia đình hiện nay, cho phép loại bỏ tới 80%

Asen trong nước ngầm cùng với việc loại bỏ sắt và mangan. Những nghiên cứu này

cũng đã chỉ rằng hàm lượng Asen trong nước sau khi xử lý bằng phương pháp trên

phụ thuộc nhiều vào thành phần các hợp chất khác trong nước nguồn và trong đa số

trường hợp, không cho phép đạt nồng độ Asen thấp dưới tiêu chuẩn, do vậy cần tiếp

tục xử lý bằng các phương pháp khác.

1.3.6. Oxi hóa

Oxi hóa bằng các chất oxi hóa mạnh: Các chất oxi hóa được phép sử dụng

trong cấp nước như Clo, KmnO4, H2O2, Ozon.

Oxi hóa điện hóa: Có thể xử lý nước chứa Asen bằng phương pháp dùng điện

cực là hợp kim và áp dụng cho các hộ sử dụng nước quy mô nhỏ.

Oxy- quang hóa: Công nghệ loại bỏ Asenite (As(III)) và cả các chất hòa tan

khác như Sắt, Phosphorus, Sulfur,... khỏi nước bằng cách đưa chất oxy hóa và chất

hấp phụ quang hóa: (chiếu tia cực tím vào nước rồi sau đó lắng). Chất oxy hóa có thể

là oxy tinh khiết hoặc sục khí. Chất hấp phụ quang hóa có thể là Fe(II), Fe(III),

Ca(II). Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia cực tím. Phản ứng có thể xảy

ra ở nhiệt độ trong phòng và ánh sáng thấp, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp. Do

As(III) bị oxy hóa thành As(V) với tốc độ rất chậm, có thể sử dụng các chất oxy hóa

mạnh như Cl2, H2O2 hoặc O3. Phần lớn chi phí xử lý chính là các chất oxy hóa này.

1.4. Cơ sở lí thuyết của đề tài

Trên cơ sở nguyên lý phản ứng oxi hóa quang hóa với nguồn năng lượng từ

ánh sáng mặt trời, kết hợp điều chỉnh pH bằng nước cốt chanh phù hợp cho quá trình

oxi hóa Fe(II) thành Fe(III), As(III) thành As(V), làm tăng cường khả năng hấp phụ

As(V) trên hiđroxit sắt mới sinh dẫn đến làm tăng khả năng loại bỏ As trong nước.

Nước ngầm khi vừa lấy lên thường chứa nhiều sắt (II) và Asen (III). Sắt ở

trong nước ngầm sẽ được sử dụng để tạo chất hấp phụ asen. Khi phơi nắng cho thêm

chanh thì xảy ra các quá trình sau:

hv,chanh →





Fe(II)

Fe(III) dạng FeOOH

As(III) (asenit)



As(V) (asenat)



hv

→

10



Sắt hiđroxit mới sinh có khả năng hấp phụ asen dạng asenat tốt nhất. As(V)

hấp phụ trên bề mặt của kết tủa FeOOH và lắng xuống dưới.

Với việc sử dụng các tấm giấy thiếc hoặc nhôm được gấp lại làm tăng cường

khả năng phản xạ, tích tụ nhiệt và các tia UV trong ánh sáng mặt trời vào khối nước

tạo điều kiện cho phản ứng quang hóa diễn ra triệt để, đồng thời cho phép diệt khuẩn,

đảm bảo nước sau xử lý an toàn về mặt sinh học.



11



Chương 2



THỰC NGHIỆM



2.1. Dụng cụ và hóa chất:

- Chai nhựa Lavie loại 500 ml; 350 ml.

- Dung dịch HNO3 (xuất xứ: Trung Quốc).

- Dung dịch H2O2 3% (nước oxi già) có thể mua ở các hiệu thuốc thông thường.

- Nước cất 2 lần, chanh, giấy nhôm.

- Đo tại: Trung tâm phân tích và giám định thực phẩm quốc gia – Viện Công

nghiệp thực phẩm (địa chỉ: 301 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội).

2.2. Thu mẫu nước:

Nước ngầm được lấy tại 3 địa điểm là xã Hồng Dương, huyện Thanh Oai; xã

Đông La, huyện Hoài Đức; quận Hà Đông (HĐ1), Hà Nội.

Tiến hành làm thực nghiệm ngay sau khi nước được lấy lên. Nước chưa đem

phân tích được phải bảo quản trong tủ lạnh (4oC).

2.3. Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong mẫu nước ngầm

Lấy các mẫu nước ngầm đã chọn để đo nồng độ Fe và As ban đầu có trong các

mẫu nước đó tại Trung tâm phân tích và giám định thực phẩm quốc gia – Viện Công

nghiệp thực phẩm. Kí hiệu các mẫu như sau: Thanh Oai (TO1); Đông La, Hoài Đức

(ĐL1); Hà Đông (HĐ1).

Hình 2.1: Lấy



nước ngầm ở Đông La, Hoài



Đức, Hà Nội

2.4. Các bước làm một thí



nghiệm



Mỗi một thí nghiệm

sẽ được làm theo các bước sau:

+ Cho 400 ml nước ngầm

vào chai Lavie loại 500ml (chai

đã được tráng sạch bằng

dung dịch axit nitric loãng, sau

đó tráng bằng nước cất).

+ Thêm các điều kiện cần

khảo sát vào chai (ví dụ: nước

cốt chanh, dung dịch H2O2

3% , ...).

+ Nút kín, lắc mạnh trong khoảng 30 giây để oxi tan tối đa trong nước.

+ Phơi nắng trong một ngày từ 7.00h đến 17.00h: chai được đặt nằm ngang và tốt

nhất là đặt trên tấm giấy nhôm (loại bọc thực phẩm)

12



Yêu cầu: trời phải nắng ráo, ít mây, tốt nhất là làm vào mùa hè.

+ Sau khi phơi nắng, đặt chai thẳng đứng và để lắng qua đêm.

+ Gạn, lọc qua lớp bông y tế (lớp bông xốp dày 1,0 cm đặt trên phễu nhựa), loại bỏ

phần cặn rồi trút vào chai 350ml (cũng được tráng như chai 500ml).

+ Mẫu nước được bảo quản trong ngăn mát tủ lạnh (4oC).

+ Nước sau khi xử lý được đem xác định lại nồng độ Asen và Fe đó tại Trung tâm

phân tích và giám định thực phẩm quốc gia – Viện Công nghiệp thực phẩm.



Hình 2.1: Chuẩn bị các chai Lavie để làm thí nghiệm



2.5. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen

pH được điều chỉnh bằng lượng nước cốt chanh cho vào các mẫu nước lấy tại

Đông La, Hoài Đức, Hà Nội. Tiến hành làm thí nghiệm với các mẫu (theo mục 2.4):

+ Không cho thêm nước cốt chanh.(ĐL2)

+ Thêm nước cốt chanh ở các mức độ: 5 giọt ( ĐL2(5)); 8 giọt (ĐL2(8)); 10 giọt

(ĐL2(10)).

Đem các mẫu đã làm thực nghiệm xác định lại hàm lượng As và Fe.

2.6. Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng oxi – hóa Asen(III)

Làm thí nghiệm với nước ngầm lấy ở Thanh Oai (hàm lượng As và Fe đều

cao), cụ thể làm với các mẫu (tiến hành thí nghiệm theo mục 4.4):

13



+ 1 mẫu chỉ làm với nước cốt chanh (8 giọt) + phơi nắng (TO2(8)): điều kiện tốt

nhất được xác định ở mục 2.5.

+ 1 mẫu: nước cốt chanh (8 giọt) + dung dịch H2O2 3% (10 giọt) + phơi nắng.(TO3)

Đem các mẫu đã làm thực nghiệm xác định lại hàm lượng As và Fe.

2.7. Xử lí Asen trong nước có hàm lượng sắt ít.

Mẫu nước lấy ở Hà Đông, Hà Nội có hàm lượng sắt thấp được làm thực

nghiệm như sau (theo mục 4.4):

+ 1 mẫu cho thêm nước cốt chanh (8 giọt) + phơi nắng.(HĐ2(8))

+ 1 mẫu cho thêm nước cốt chanh (8 giọt) + 5 đinh sắt gỉ (rửa sạch bụi bẩn) +

lắc đều trong vài phút + phơi nắng.(HĐ3)

- Đem các mẫu đã làm thực nghiệm xác định lại hàm lượng As và Fe.

2.8. Kiểm tra E.Coli và Coliform trong nước sau xử lý

Làm lại thực nghiệm như mẫu ĐL2(8), TO3, HĐ3 sau đó đem kiểm tra E.Coli

và Coliform trong nước sau xử lý.



Chương 3



KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN



3.1. Thu mẫu nước

Nước ngầm ở 3 khu vực Thanh Oai, Hoài Đức, Hà Đông , Hà Nội là những

khu vực mà các nhà khoa học đã nhận định trong nước ngầm có Asen. Khi mới lấy

lên nước ngầm đều chưa có màu vàng, để trong không khí khoảng 1h đồng hồ nước

chuyển dần sang màu vàng. Nguyên nhân là do trong nước mới lấy lên sắt ở dạng

Fe(II), khi tiếp xúc với không khí Fe(II) bị oxi hóa thành Fe(III) nên nước chuyển

sang màu vàng.



14



Quan sát dưới đáy của thiết bị đựng nước ta có thể dự đoán sơ bộ được nước

của giếng khoan đó có nhiều hay ít sắt. Nếu nhiều sắt, ở dưới đáy của thiết bị đựng

nước thường có nhiều cặn vàng hơn là ít sắt.

Sắt (III) hiđroxit mới sinh (FeOOH) là chất hấp phụ As(V) tốt nhất nên nước

ngầm lấy lên phải được xử lý luôn, nếu để lâu hiệu quả loại quả As sẽ bị giảm.

3.2. Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong các mẫu nước ngầm

Nước ngầm được lấy tại 3 địa điểm là xã Hồng Dương, huyện Thanh Oai (kí

hiệu TO1); xã Đông La, huyện Hoài Đức (kí hiệu ĐL1); quận Hà Đông (HĐ1), Hà

Nội.

Kết quả khảo sát như sau:

STT



2



Đơn vị



TO1

1



Tên chỉ tiêu



Kết quả



HĐ1



ĐL1



Nồng độ Arsen (As) (*)



µg/l



87



55



60



10



Nồng độ Sắt (Fe) (*)



mg/l



8,56



4,25



6,79



0,05



TCVN

6626:2000

AOAC

974.27



Bảng 3.1: Kết quả đo nồng độ sắt và asen trong các mẫu nước ngầm

Cả ba mẫu nước đều có hàm lượng As cao hơn mức độ cho phép (10 μg/l), đều

có thể gây ngộ độc nếu sử dụng làm nước uống khi chưa qua xử lý, trong đó mẫu

nước ở Thanh Oai có hàm lượng As cao nhất.

Về lượng sắt, hàm lượng của cả 3 mẫu đều cao hơn nhiều lần so với nồng độ

cho phép (0,5mg/l), cao nhất vẫn là nước lấy ở khu vực Thanh Oai. Tuy sắt không

gây độc hại cho cơ thể nhưng khi nồng độ sắt cao quá mức như vậy sẽ khiến cho

nước có vị tanh, màu vàng, độ đậm và độ đục tăng nên rất khó sử dụng.

Tỉ lệ nồng độ Sắt/Asen ở Thanh Oai, Hà Đông, Hoài Đức lần lượt là 98/1;

77/1; 113/1. Nồng độ sắt cao ở Thanh Oai, Hoài Đức sẽ tốt cho quá trình loại bỏ

Asen ra khỏi nước ngầm.

3.3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen

pH được điều chỉnh bằng lượng nước cốt chanh cho vào các mẫu nước lấy tại

Đông La, Hoài Đức, Hà Nội. Tiến hành làm thí nghiệm với các mẫu theo mục 2.5.

Mẫu nước không xử lý bằng chanh sau khi phơi nắng có trong hơn nhưng vẫn chưa

hết màu vàng. Các mẫu xử lý bằng chanh sau khi phơi 10h đồng hồ đều trong, có kết

tủa màu trắng lắng ở dưới.

15