MỞ ĐẦU Tốc độ công nghiệp hoá, đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Nguồn nước thải của các cơ sở sản xuất, nước thải sinh hoạt chưa được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để vẫn hàng ngày thải ra môi trường nước. Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng. Kim loại nặng là những chất ô nhiễm nước đặc biệt nguy hiểm đối với con người do khả năng tích tụ sinh học.
Trong số đó ion Crom(VI) có độc tính hàng cao nhất. Đã có nhiều phương pháp xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm Crom(VI) trong môi trường như phương pháp kết tủa, trao đổi ion…. Một trong các phương pháp đang được nhiều người quan tâm hiện nay là việc sử dụng than hoạt tính để làm vật liệu hấp phụ Crom(VI) trong môi trường nước, tuy nhiên hiệu quả hấp phụ chưa cao. Than hoạt tính được biến tính bằng chất hoạt động bề mặt CTAC làm tăng cường khả năng hấp phụ Crom(VI).
CTAC là chất hoạt động bề mặt cation có một đầu phân cực (ưa nước) và đầu không phân (cực kị nước). Than hoạt tính liên kết với đầu kị nước, đầu còn lại (ưa nước) sẽ liên kết với anion cromat. Do vậy, đề tài “biến tính than hoạt tính dạng hạt bằng chất hoạt động bề mặt CTAC để xử lý Crom trong nước” được triển khai nhằm mục đích sử dụng vật liệu hấp phụ GAC- CTAC để tăng cường sự hấp phụ của GAC với cromat, chất ô nhiễm được chọn là K2CrO4, chất hoạt động bề mặt là CTAC.1 Tổng quan về crom 1.1 Tính chất của crom a. Tính chất vật lý Crom là một nguyên tố tương đối phổ biến trong thiên nhiên.
Là nguyên tố phổ biến thứ 21 trong vỏ trái đất. Là kim loại cứng, màu xám thép với độ bóng cao. Là chất không màu, không vị và dễ rèn[4]. Tính chất hoá học Hợp chất của crom được tìm thấy trong môi trường do sự xói mòn của crom và trong các loại đá, có thể xuất hiện do núi lửa phun trào.
Các trạng thái oxi hoá phổ biến của crom là +2, +3 và +6, với +3 là ổn định nhất. Các trạng thái +1, +4 và +5 là khá hiếm. Các hợp chất của crom với trạng thái oxi hoá +6 là những chất có tính oxi hoá mạnh. Trong không khí, crom được oxi thụ động hoá tạo thành một lớp màng mỏng bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn quá trình oxi hoá tiếp theo đối với kim loại ở phía dưới[3].
Trong các nguồn nước tự nhiên, crom tồn tại ở hai trạng thái oxi hoá ổn định là Cr+3 và Cr+6, trong đó Cr+3 tồn tại ở dạng Cr(OH)2+, Cr(𝑂𝐻)+ − 2 , Cr(𝑂𝐻)4 [28], còn Cr +6 tồn tại ở dạng Cr𝑂42− và Cr2𝑂72− , HCr𝑂4−. Trong điều kiện oxi hoá dung dịch Cr, Cr(VI) ở dạng anion H𝐶𝑟𝑂4− hoặc 𝐶𝑟𝑂42− , phụ thuộc vào pH (𝐶𝑟𝑂42− ở pH cao hơn). Trong điều kiện bình thường của nước (từ 6-8) dạng ion 𝐶𝑟𝑂42− , H𝐶𝑟𝑂4− hoặc Cr2𝑂72− là chủ yếu. Ở nồng độ tương đối cao của Cr(VI) , ion Cr2𝑂72− chiếm ưu thế ở môi trường axit [27].[25] Bản chất và tính chất của các trạng thái crom trong nước thải có thể là rất khác nhau tại các vùng nước tự nhiên do nước thải ở các vùng công nghiệp khác nhau, các hợp chất của crom phụ thuộc vào các đặc tính lý hoá của môi trường.
Sự có mặt của crom và nồng độ của nó trong nước thải phụ thuộc vào các hợp chất chứa crom được sử dụng trong công nghiệp, vào độ pH, các chất thải vô cơ hay hữu cơ từ nguyên liệu chế biến[3] 2 1.2 Nguồn gốc phát thải [3] a. Do hoạt động công nghiệp Trong ngành luyện kim, Cr dùng để tăng cường khả năng chống ăn mòn và đánh bóng bề mặt như là một thành phần của hợp kim, chẳng hạn như thép không gỉ ( một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% crom) để làm dao, kéo. Làm thuốc nhuộm và sơn: Oxit Crom (III) ( Cr2O3) là chất đánh bóng kim loại gọi là phấn lục. Các muối Cr nhuộm màu cho thuỷ tinh thành màu xanh lục của ngọc lục bảo.
Crom sulfat (III)( Cr2(SO4)3) được sử dụng như là chất nhuộm màu xanh lũ trong các loại sơn, đồ gốm sứ, vecni và mực. Cr6+ sinh ra trong quá trình mạ crom, thụ động hoá mạ kẽm, mạ đồng, sản xuất hoá chất, sản xuất thuộc da. Crom được phát thải ra từ những hoạt động công nghiệp này xâm nhập và gây ô nhiễm môi trường đất và nước, chúng rất khó phân huỷ trong môi trường đất, những hợp chất của Cr như natri cromat, cromit hay sulfat tạo thành những hợp chất cặn lắng trong đất, nước. Công nghiệp hoá chất Kali dicromat (K2Cr2O7) là một thuốc thử hoá học, được sử dụng trong quá trình làm vệ sinh các thiết bị bằng thuỷ tinh trong phòng thí nghiệm cũng như trong vai trò của một chất chuẩn độ.
c, Phân bón nông nghiệp Con người sử dụng phân bón có chứa Cr, khi bón vào đất, cây hấp thụ một phần và phần còn lại được tích tụ ở trong đất, sau đó được rửa trôi vào nguồn nước d. Trầm tích ao hồ sông suối Các trầm tích ao hồ chứa Cr chủ yếu là do các quá trình phong hoá xói mòn từ thượng nguồn hoặc do hoạt động sản xuất của con người trong đất dốc gần đó, nhưng chủ yếu từ nước thải công nghiệp không được xử lý triệt để. Do đó có hiện tượng keo tụ tự nhiên vùng cửa sông nên hàm lượng Cr trong bùn đáy các vùng này thường cao.3 Ảnh hưởng của crom [3] a. Ảnh hưởng của crom tới sinh vật Crom đi cào chuỗi thức ăn thông qua việc tiêu thụ nguyên liệu thực vật.
Khi nồng độ Cr trong thực vật tăng, nó gây ảnh hưởng xấu đến một số chỉ số sinh học. Triệu chứng của việc nhiễm độc Cr bao gồm: ức chế hạt nảy mầm hoặc cây giống phát triển sớm, giảm sự phát triển của rễ cây, làm úa lá và làm suy giảm sinh khối, làm hoại tử ở thực vật. Crom cũng được cho là tác nhân làm giảm hoạt động của nội bào gây đột biến gen, tác động trực tiếp lên AND. Nước thải sinh hoạt có thể chứa lượng Cr tới 0,7 µg/ml mà chủ yếu ở dạng Cr(VI) có độc tính cao với nhiều động vật có vú.
Ảnh hưởng của crom tới con người. Các kết quả nghiên cứu cho thấy Cr chỉ với một liều lượng nhỏ cũng là nguyên nhân chính gây các tác hại nghề nghiệp. Độc tính Cr(VI) cao gấp 100 lần so với Cr(III), Cr(III) là nguyên tố vi lượng, đóng góp cho quá trình trao đổi chất của đường trong cơ thể và sự thiếu hụt nó có thể sinh ra bệnh là thiếu hụt Cr. Ngược lại crom(VI) rất độc hại và gây đột biến gen khi hít phải, gây viêm da tiếp xúc dị ứng.
Nhìn chung, sự hấp thụ của Cr vào cơ thể con người tuỳ thuộc vào tình trạng oxi hoá của nó. Cr(VI) hấp thụ qua dạ dày, ruột nhiều hơn Cr(III) (mức độ hấp thụ qua đường ruột phụ thuộc vào dạng hợp chất mà nó sẽ hấp thu) và còn có thể thấm qua màng tế bào. Nếu Cr(III) chỉ hấp thu 1% thì lượng hấp thụ của Cr(VI) lên tới 50%.Tỷ lệ hấp thu qua phổi không xác định được, mặc dù một lượng đáng kể đọng lại trong phổi và phổi là một trong những bộ phận chứa nhiều crom nhất. Crom xâm nhập vào cơ thể theo ba con đường: hô hấp, tiêu hoá và tiếp xúc trực tiếp qua da.
Khi Cr xâm nhập theo đường hô hấp dễ dẫn tới bệnh viêm yết hầu, viêm phế quản, viêm thanh quản do niêm mạc bị kích thích (sinh ngứa môi, hắt hơi, chảy nước mũi). Khi ở dạng CrO3 hơi hoá chất này gây bỏng nghiêm trọng cho hệ thống hô hấp của người bị thấm nhiễm. Cr(VI) đi vào cơ thể dễ gây biến chứng, tác động lên tế bào, lên mô tạo ra sự phát triển tế bào không nhâ, gây ung thư, tuy nhiên với hàm lượng Cr cao sẽ làm kết tủa các protein, các axit nucleic và ức chế hệ thống men cơ bản. 4 Khi da tiếp xúc trực tiếp vào dung dịch Cr(VI), chỗ tiếp xúc dễ bị nổi phồng cà loét sâu, có thể bị loét đến xương.
Khi Cr(VI) xâm nhập vào cơ thể qua da, nó kết hợp với protein tạo thành phản ứng kháng nguyên. Kháng thể gây hiện tượng dị ứng, bệnh tái phát khi tiếp xúc trở lại, bệnh sẽ tiến triển nếu không được cách ly và sẽ thành tràm hoá. Dù xâm nhập cơ thể theo bất kì con đường nào Cr cũng được hoà tan vào trong máu ở nồng độ 0,001mg/l, sau đó chúng chuyển vào hồng cầu và hoà tan nhanh trong hồng cầu, từ hồng cầu Cr chuyển vào các tổ chức phù tạng, được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phần còn lại chuyển qua nước tiểu. Từ các cơ quan phù tạng Cr hoà tan dần vào máu, rồi đào thải qua nước tiểu từ vài tháng đến vài năm.
Nhiễm độc Cr có thể bị ung thư phổi, ung thư gan, loét da, viêm da tiếp xúc, xuất hiện mụn cơm, viêm gan, thủng vách ngăn giữa hai lá mía, viêm thận, đau răng, tiêu hoá kém, gây độc cho hệ thần kinh và tim, ….4 Các phương pháp xử lý a. Phương pháp khử- kết tủa Nguyên lý của phương pháp này là thêm vào nước thải các hoá chất để tiến hành các phản ứng oxi hoá – khử, kết tủa để tách các chất độc hại có trong nước thải sau đó lắng, lọc, trung hoà đến tiêu chuẩn cho phép. Đây là phương pháp được dùng phổ biến hiện nay. Một số ưu điểm và hạn chế của phương pháp này, ưu điểm: xử lý nước thải lưu lượng lớn, chi phí thấp đơn giản, dễ vận hành, hạn chế: chuyển chất thải từ dạng này sang dạng khác, tạo lượng bùn crom lớn, tốn diện tích đất xây dựng các bể chứa bùn thải.
Phương pháp trao đổi ion Một phương pháp khác được sử dụng phổ biến để xử lý nước thải chứa crom là trao đổi ion. Người ta dùng nhựa tổng hợp cao phân tử để tiến hành trao đổi ion bởi trong nhựa có nhóm gốc hoạt tính với năng lực trao đổi ion, không hòa tan trong nước, dung dịch axit, kiềm và các chất hữu cơ.