MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường nước bởi kim loại nặng (KLN) đang là vấn đề được xã hội và các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu hiện nay. Bên cạnh các quá trình tự nhiên, hoạt động công nghiệp, hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản, nông nghiệp được xem như là nguồn gốc chính gây phát tán KLN vào môi trường. Sự có mặt các KLN (Pb, Cd, As, Zn, Mn…) trong môi trường nước với hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép là tác nhân tiềm ẩn những ảnh hưởng tiêu cực tới hệ sinh thái và sức khỏe con người. Hiện nay, rất nhiều công nghệ và phương pháp đã được nghiên cứu và triển khai nhằm xử lý các ion KLN trong nước gồm phương pháp hấp phụ (Lin và Wu, 2011), phương pháp trao đổi ion (Kim và Benjamin, 2004), phương pháp keo tụ - tạo bông (Hering và nnk, 1997), phương pháp màng lọc (Fang và nnk, 2017), phương pháp xử lý bằng thực vật (Katsoyiannis và Zouboulis, 2002).
Trong đó, phương pháp hấp phụ có nhiều ưu điểm như hiệu quả xử lý cao, giá thành thấp và dễ dàng thực hiện (Abas và nnk, 2013). Các vật liệu hấp phụ đượcnghiên cứu và áp dụng phổ biến gồm có vật liệu tự nhiên (đá ong, các khoáng vật sét, bùn đỏ…) và vật liệu biến tính (Babel và Kurniawan, 2003). Bên cạnh đó, hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản làm sản sinh một khối lượng lớn bùn thải làm ảnh hưởng tới môi trường và hệ sinh thái. Việc ứng dụng bùn đỏ, bùn thải từ khai thác than làm vật liệu hấp phụ đã được nghiên cứu áp dụng và rất có tiềm năng trong xử lý ô nhiễm KLN trong nước (Nguyễn Trung Minh và nnk, 2010, Doãn Đình Hùng và nnk, 2011, Phạm Thị Thúy và nnk, 2016).
Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng bùn thải từ các khu chế biến sắt để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ tại Việt Nam vẫn chưa được đánh giá. Xuất phát từ những ý nghĩa đó, luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nƣớc của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn” được thực hiện với những mục tiêu và nhiệm vụ sau: 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá khả năng hấp phụ và luận giải cơ chế hấp phụ KLN trong môi trường nước của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn. Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan các tài liệu có liên quan về công nghệ xử lý nước thải, về vật liệu hấp phụ, về KLN và độc tố của chúng trong môi trường nước; - Nghiên cứu, xác định đặc trưng của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn: (1) Thành phần nguyên tố, (2) Thành phần khoáng vật, (3) Điện tích bề mặt, (4) Diện tích bề mặt, (5) Nhóm chức hoạt động bề mặt, (6) Hình thái cấu trúc vật liệu (SEM); - Nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ KLN trong môi trường nước của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn thông qua các thí nghiệm: (1) Xác định pHPZC, (2) Khảo sát ảnh hưởng của pH, (3) Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu; (4) Khảo sát ảnh hưởng của thời gian và (5) Khảo sát ảnh hưởng nồng độ KLN ban đầu tới khả năng hấp phụ; - Luận giải cơ chế hấp phụ KLN trong môi trường nước của bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc Ô nhiễm KLN trong môi trường nước đã và đang là mối de dọa tới môi trường, hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. KLN là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3 và có khối lượng nguyên tử nằm trong khoảng 63,5 và 200,6 đvC (Fu và Wang, 2011). Một số KLN là các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sinh vật (Cu, Zn, Mn, Mo, Ni…).
Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trường hợp, các KLN khi thải vào môi trường thường tồn tại lâu dài. KLN gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Chì (Pb), Cadimi (Cd), Asen (As) được xếp loại là những độc tố loại A và là những KLN có khả năng gây nguy hại nhất đối với sức khỏe con người. Trong nước thải công nghiệp KLN thường bao gồm Pb, Cr, Hg, Se, Zn, As, Cd, Mn, Ni…, chúng được sinh ra do hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản, hoạt động nông nghiệp, quá trình công nghiệp hóa và quá trình địa chất tự nhiên (Kyle và nnk, 2011; Johnson và Hallberg, 2015).
Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm KLN là do nước thải công nghiệp và nước thải độc hại không qua xử lý hoặc xử lý không đạt yêu cầu được xả trực tiếp vào môi trường. Ion KLN dễ kết hợp với nước tạo ra các hydroxit. Khả năng hòa tan của các hydroxit kim loại phụ thuộc vào pH của nước. Trong khai thác và chế biến khoáng sản thường sinh ra dòng thải axit mỏ có pH dao dộng 3 - 5,5 và thường có hàm lượng As, Pb, Zn, Cd và Mn cao, chúng tồn tại ở dạng ion hòa tan dễ dàng di chuyển và tích tụ trong môi trường đất và trầm tích (Johnson và Hallberg, 2015).
Các KLN tồn tại trong môi trường đất, nước, đi vào cơ thể của sinh vật và con người qua con đường hấp thụ như hô hấp, tiêu hóa và qua da; thường tích lũy trong cơ thể và gây ô nhiễm do chúng không hoặc ít tham gia vào các quá trình sinh hóa của cơ thể sinh vật. Asen (As) Asen là một trong những chất có độc tính cao, có tỷ trọng 5,73g/cm3 và được xếp vào nhóm độc loại A cùng với Hg, Se, Pb, Cd. Trong tự nhiên, nguồn As xuất 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phát chủ yếu từ các mỏ quặng chứa sulfua và các đá khoáng vật chứa As (Smedley và Kinniburgh, 2002). Hai dạng tồn tại chính của As vô vơ được tìm thấy trong môi trường là arsenit (As (III)) và arsenat (As (V)).
Độc tính của As phụ thuộc vào trạng thái tồn tại của nó, các dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ của As hóa trị (III) có độc tính cao hơn dạng hóa trị (V) (Zhang và nnk, 2002). Con người có thể bị phơi nhiễm As qua hít thở không khí, hấp thu thức ăn và nước uống. Một lượng nhỏ As trong nước có thể đe dọa đến sức khỏe con người bởi vì phần lớn các hợp chất As trong nước uống đều ở dạng vô cơ rất độc. Một số hợp chất của As như: asenic florua (AsF3); asenic florid (AsF5); asenic oxid (AsO3); asenic sulphid (As2S3) … Khi cơ thể bị nhiễm độc As, tuỳ theo mức độ và thời gian tiếp xúc sẽ biểu hiện những triệu chứng với những tác hại khác nhau.
Những biểu hiện của ngộ độc As bao gồm: tổn thương da, tăng sừng hóa, ung thư da, ung thư phổi, ung thư ruột. Chì (Pb) Chì là KLN tương đối bền, có tỷ trọng d = 11,3 g/m3, và là một trong những KLN được nghiên cứu kỹ về độc tố. Nguồn phát sinh Pb chủ yếu từ quá trình phong hóa, quá trình khai thác và chế biến khoáng sản, sản xuất kim loại màu, gia công kim loại. Trong tự nhiên Pb tồn tại dưới dạng quặng PbS, PbCO3, PbSO4.
Nước thải ô nhiễm Pb từ quá trình sản xuất, tái chế pin, ắc quy xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu qua đường hô hấp, tiêu hóa, gây ức chế một số enzyme quan trọng, làm rối loạn quá trình tạo huyết ở tủy, phá vỡ quá trình tạo hồng cầu, gây hại đến hệ thần kinh. Pb ảnh hưởng đến hệ sinh sản, có thể gây vô sinh, gây sẩy thai. Đặc biệt đối với phụ nữ đang mang thai và trẻ em là những đối tượng mẫn cảm với nguy hại của Pb nhất (Steenland và Boffetta, 2000). Thêm vào đó, Pb có khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể thông qua dây chuyền thực phẩm, tích lũy sinh học trong cơ thể động vật thông qua quá trình metyl hóa.
Cadimi (Cd) Cadimi là một KLN có tính độc cao, tỷ trọng của d = 8,65g/cm3, và là một trong số ít nguyên tố không cần thiết cho cơ thể con người. Cd di chuyển và tích tụ 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trong hệ sinh thái, con người, và gây độc dù chỉ với nồng độ thấp. Nguồn ô nhiễm Cd xuất phát từ khai thác mỏ, nhà máy luyện kim. Ðối với con nguời, Cd có thể xâm nhập vào cơ thể bằng nhiều cách khác nhau như tiếp xúc qua hô hấp và ăn uống.
Biểu hiện nhiễm độc cấp tính với Cd thông qua đường hô hấp thường dẫn tới xuất huyết phổi, phù phổi và có thể dẫn tới tử vong. Đối với tiếp xúc qua đường miệng, Cd gây phá hủy hồng cầu, xuất huyết, hoại tử, loét ruột, viêm dạ dày, hoại tử dạ dày, giảm hoạt động của cơ. Cd thường được tích lũy dần trong thận, gây triệu chứng độc mãn tính (Nogawa và nnk, 1999). Mangan (Mn) Mangan là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể và cũng là một trong những KLN với tỷ trọng d = 7,21g/cm3.
Các nguồn gây ô nhiễm Mn chủ yếu thông qua các quá trình rửa trôi, phong hóa đất đá và các hoạt động nhân tạo khai thác và chế biến khoáng sản. Trong các trạng thái oxy hóa phổ biến nhất của Mn thì Mn+2 là trạng thái ổn định nhất. Mn có nhiều vai trò như: tác động tới hô hấp tế bào, chuyển hóa gluxit, hoạt động của não. Mn được hấp thu vào cơ thể con người thông qua 3 con đường: hô hấp, tiếp xúc và tiêu hóa.
Mn hấp thụ vào cơ thể với nồng độ cao sẽ làm tổn thương phổi với các mức độ khác nhau như: ho, viêm phế quản cấp tính, viêm cuống phổi, ù tai, run chân tay và tính dễ bị kích thích. Ngoài ra, nhiễm độc Mn sẽ giảm khả năng ngôn ngữ, giảm trí nhớ, giảm thị lực và vận động chân tay (Malcolm và nnk, 2012). Kẽm (Zn) Kẽm là nguyên tố vi lượng cần thiết cho động vật và con người. Tuy nhiên, hấp thu một lượng lớn Zn sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người cụ thể gây nôn, tổn hại thận, gây ra sự thiếu hụt của các khoáng chất khác trong dinh dưỡng (Dreosti, 1996).
Trong tự nhiên, nguồn phát tán Zn chủ yếu thông qua các quá trình phong hóa địa chất, hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản, luyện kim, sản xuất phân bón hóa học. Zn rất cần thiết đối với sự tổng hợp nucleic acid, protein, trao đổi chất màng, cũng như sự tăng trưởng tế bào và phân chia và đóng 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.