MỞ ĐẦU Nước là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sống trên trái đất. Một vài thập niên gần đây, do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, kinh tế và sức sản xuất nhằm đáp ứng sự bùng nổ dân số, lượng nước được dùng cho sản xuất, sinh hoạt tăng lên rất nhiều và kéo theo là sự gia tăng về lượng nước thải chứa các tạp chất có hại được đưa trở lại các nguồn nước. Một trong các tác nhân gây ô nhiễm môi trường nước là các kim loại nặng. Một số phương pháp đã được đề xuất cho loại bỏ các kim loại nặng như phương pháp hoá học, phương pháp sinh học, phương pháp hoá lý,… Tuy nhiên, các phương pháp này xét về mặt kinh tế thì thường tốn kém, công nghệ xử lí phức tạp.
Thời gian gần đây việc sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) có nguồn gốc thực vật để tách loại kim loại từ nước thải được nhiều nhà khoa học quan tâm. Ưu điểm của phương pháp này là: chi phí thấp, quá trình xử lí đơn giản và thân thiện với môi trường. Hiện nay, Việt Nam là nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai trên thế giới. Từ năm 2002 đến nay trung bình nước ta sản xuất được 34 triệu tấn thóc/năm.
Năm 2008 sản lượng lúa đã đạt 38,6 triệu tấn, chiếm 5,6% sản lượng lúa gạo toàn cầu. Do đó, hàng năm nước ta sẽ thải ra khoảng 55 triệu tấn rơm rạ. Số rơm rạ này một phần làm phân bón sinh học, phần còn lại chủ yếu được đốt bỏ ngay trên cánh đồng gây lãng phí và ảnh hưởng đến môi trường. Nếu tận dụng được nguồn rơm rạ này để chế tạo VLHP nhằm xử lí nước thải sẽ có ý nghĩa hết sức to lớn về nhiều mặt.
Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong môi trường nước bằng vật liệu hấp phụ chế tạo từ rơm và thử nghiệm xử lí môi trường ”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 2 Trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Chế tạo nguyên liệu (NL) và VLHP từ rơm. - Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của NL và VLHP bằng phổ IR và ảnh chụp SEM. - Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh.
- Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cu(II), Ni(II), Cr(VI) bằng VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ động trên cột. - Khảo sát khả năng tái sử dụng VLHP. - Sử dụng VLHP chế tạo được thử xử lý mẫu nước thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.
Tổng quan về kim loại nặng 1. Giới thiệu về kim loại nặng 3 Kim loại nặng là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm. Kim loại nặng được được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn,…), những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…), các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am,…). Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học, không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi cacbon ngắn dẫn đến sự tích tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm.
Ở hàm lượng nhỏ một số kim loại nặng là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể người và sinh vật phát triển bình thường, nhưng khi có hàm lượng lớn chúng lại có độc tính cao và là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường. Các kim loại nặng đi vào cơ thể qua con đường hô hấp, tiêu hóa và qua da. Khi đó, chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa và trong nhiều trường hợp dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng. Về mặt sinh hóa, các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm –SH, -SCH3 của các nhóm enzym trong cơ thể.
Vì thế, các enzym bị mất hoạt tính, cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể. Tác dụng sinh hóa của kim ại lo nặng đối với con người vamôi ̀ trường 1.Tác dụng sinh hoá của crom Nước thải từ công nghiệp mạ điện , công nghiệp khai thác mỏ , nung đốt các nhiên liệu hoá thạch,.là nguồn gốc gây ô nhiễm crom. Crom có thể Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 4 có mặt trong nước mặt và nước ngầm. Crom trong nước thải thường gặp ở dạng Cr(III) và Cr(VI).
Với hàm lượng nhỏ Cr(III) rất cần cho cơ thể, trong khi Cr(VI) lại rất độc và nguy hiểm. Crom xâm nhập vào cơ thể theo ba con đường : hô hấp , tiêu hoá và da. Qua nghiên cứu thấy rằng , crom có vai trò quan tr ọng trong việc chuyển hoá glucozơ. Tuy nhiên với hàm lượng cao crom có thể làm kết tủa protein, các axit nucleic và ức chế hệ thống enzym cơ bản.
Crom chủ yếu gây các bệnh ngoài da như loét da , viêm da tiếp xúc , loét thủng màng ngăn mũi, viêm gan, viêm thận, ung thư phổi,. Tác dụng sinh hoá của đồng Trong công nghiệp, đồng là kim loại màu quan trọng nhất, được dùng chủ yếu trong công nghiệp điện, ngành thuộc da, công nghiệp nhuộm, y học,… Đối với cơ thể người, đồng là một nguyên tố vi lượng cần thiết tham gia vào quá trình tạo hồng cầu và là thành phần của nhiều enzym trong cơ thể. Nếu thiếu đồng sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của cơ thể. Tuy nhiên sự tích tụ đồng với hàm lượng cao có thể gây độc cho cơ thể.
Khi cơ thể bị nhiễm độc đồng có thể gây một số bệnh về thần kinh, gan, thận, lượng lớn hấp thụ qua đường tiêu hoá có thể gây tử vong. Tác dụng sinh hoá của niken Niken được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim, mạ điện, sản xuất thuỷ tinh, gốm, sứ… Niken xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu qua đường hô hấp. Khi bị nhiễm độc niken , các enzym mất hoạt tí nh , cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể , gây các triệu chứng khó chịu , buồn nôn , đau đầu ; nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi , hệ thần kinh trung ương , gan, thận Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 5 và có thể sẽ gây ra các chứng bệ nh kinh niên… Ngoài ra, niken có thể gây các bệnh về da, nếu da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng ở một số người. Quy chuẩn Việt Nam về nước thải công nghiệp QCVN 24:2009/BTNMT quy định nồng độ của ion kim lo ại trong nước thải công nghiệp như sau: Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ của một số ion kim loại trong nƣớc thải công nghiệp Giá trị giới hạn STT Nguyên tố Đơn vị A B 1 Crom (VI) mg/l 0,05 0,10 2 Đồng mg/l 2,00 2,00 3 Niken mg/l 0,20 0,50 Trong đó: - Cột A quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
- Cột B quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng Ô nhiễm môi trường nước là sự thay đổi thành phần và tính chất của nước gây ảnh hưởng tới hoạt động sống bình thường của con người, sinh vật, đến sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, thủy sản. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 6 Nguồn gốc gây ô nhiễm nguồn nước có thể là do tự nhiên hoặc nhân tạo. Các chất gây ô nhiễm nước bao gồm các chất vô cơ, chất hữu cơ, các hóa chất khác, ô nhiễm vi sinh vật, ô nhiễm nhiệt, cơ học, phóng xạ… [1] 1.
Tình trạng ô nhiễm nước trên thế giới Trong những năm gần đây, ô nhiễm nước lục địa và đại dương gia tăng với nhịp độ đáng lo ngại. Ở Úc, Pb và Zn đã được xác định trong các trầm tích bị ô nhiễm với hàm lượng 1000μg.g-1 đối với Pb, và 2000 μg.g-1 đối với Zn. [31] Ở Anh, Bryan đã xác định hàm lượng chì vô cơ biến động từ 25 μg.g-1 trong khu vực không bị ô nhiễm đến hơn 2700 μg.g-1 trong cửa sông Gannel nơi nhận chất thải từ việc khai thác mỏ chì. [30] Tương tự như Pb, hàm lượng As cũng đã được xác định ở nhiều vùng cửa sông, vùng ven biển trên thế giới.
Hàm lượng As đã được xác định từ 5 μg.g-1 ở cửa sông Axe đến lớn hơn 1000 μg.g-1 trong các cửa sông Restronguet Creek, Cornwall nơi nhận nước thải từ các khu vực khai thác quặng mỏ kim loại. [30] Hàm lượng Cd cũng được xác định ở Anh tại các cửa sông không bị ô nhiễm với hàm lượng 0,2 μg.g-1, tại các cửa sông bị ô nhiễm nặng hàm lượng này có thể lên đến 10 μg. Sông Deule ở Pháp là một trong những con sông bị ô nhiễm rất nặng do hứng chịu chất thải từ nhà máy luyện kim. Hàm lượng kim loại trong trầm tích sông này rất cao (0,48 μg.
Tình trạng ô nhiễm nước ở Việt Nam Hiện nay , sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp , khu chế xuất đã dẫn tới sự tăng nhanh hàm lượng kim loại nặng trong các nguồn nước thải. Các nguồn chính thải ra các kim loại nặng này là từ các nhà máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 7 cơ khí, nhà máy luyện kim, nhà máy hóa chất. Tác động của kim loại nặng tới môi trường sống là rất lớn, tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam việc xử lý các nguồn nước thải chứa kim loại nặng từ các nhà máy vẫn chưa có sự quan tâm đúng mức. Bởi các nhà máy ở Việt Nam thường có quy mô sản xuất vừa và nhỏ do vậy khả năng đầu tư vào các hệ thống xử lý nước thải còn hạn chế.
Hầu hết các nhà máy chưa có hệ thống xử lý hoặc hệ thống xử lý quá sơ sài do vậy nồng độ kim loại nặng của các nhà máy thải ra môi trường thường là các hệ thống sông, hồ đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép.