MỞ ĐẦU Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng trong sự sống, là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát triển của sinh vật. Tuy nhiên, đi cùng với phát triển kinh tế-xã hội, công nghiệp hóa và hiện đại hóa ở nước ta hiện nay là hàng loạt các vấn đề về ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm môi trường nước. Trong đó, ô nhiễm kim loại nặng (KLN) đang là một vấn đề nổi cộm, việc xử lý kim loại nặng trong nước thải đã trở thành vấn đề vô cùng quan trọng đối với các cấp ngành. Ô nhiễm kim loại đã được các nhà khoa học trên toàn thế giới quan tâm do sự tích tụ ngày càng tăng của chúng trong chuỗi thức ăn và sự tồn tại trong hệ sinh thái.
Kẽm (Zn) đóng vai trò quan trọng trong một số quá trình sinh học của sinh vật. Tuy nhiên, nếu dư thừa kẽm trong nước có thể gây ra sự stress, làm biến đổi các DNA phân tử và/hoặc thậm chí làm suy giảm sự phát triển, sinh sản của sinh vật. Trong khi đó, Cadimi (Cd) lại được biết đến là một kim loại nặng có độc tính cao, có thể gây độc ở mức độ cấp tính cho con người. Chính vì vậy, sự có mặt của các ion cadimi và kẽm nói riêng, các ion kim loại nặng nói chung trong nước thải là một mối đe dọa đối với sức khỏe của con người và sinh vật.
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý các kim loại nặng như trao đổi ion, kết tủa, oxy hóa - khử, điện hóa và lọc màng,…. Tuy nhiên, các phương pháp này đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành cao, bên cạnh đó việc tạo ra bùn độc hại, làm tăng thêm gánh nặng về tính khả thi kinh tế của quá trình xử lý. Hấp phụ bằng vật liệu có nguồn gốc từ sinh học đang là một phương pháp xử lý tiết kiệm chi phí so với các phương pháp thông thường, có thể kể đến như nhu cầu hóa chất, chi phí vận hành thấp và thân thiện với môi trường. Phương pháp này cho khả năng thu hồi kim loại và tái sinh vật liệu đã sử dụng.
Sinh khối của vi sinh vật đã được sử dụng làm vật liệu hấp phụ sinh học và được chứng minh rất hiệu quả trong việc loại bỏ các kim loại nặng từ nước thải. Do bề mặt tế bào vi sinh vật có chứa các nhóm chức như hydroxit, cacboxylic, photphat,… có ái lực liên kết cao với các cation kim loại. Các nghiên cứu sử dụng các chủng vi tảo và vi khuẩn lam như Chlorella vulgaris, Aphanothece halophytica, Scenedesmus Obquus, Spirulina platensis…làm vật liệu hấp phụ sinh học các kim loại nặng trong nước cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng nguồn vật liệu sinh học rẻ tiền trong xử lý nước thải công nghiệp. Spirulina platensis là một chủng vi khuẩn lam có sẵn ở trong hầu hết các thủy vực, chúng có khả năng sinh sản sinh ra một lượng sinh khối rất lớn.
Với mục tiêu tìm ra nguồn nguyên liệu dễ kiếm, thân thiện với môi trường để xử lý kim loại nặng trong môi trường nước đem lại hiệu quả cao. Chính vì vậy, đề tài: “Bước đầu nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Cd2+ và Zn2+ trong môi trường nước bằng vật liệu n 2 sinh học Spirulina platensis TH” đã được thực hiện. - Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu chung Đánh giá khả năng hấp phụ các ion cadimi và kẽm trong môi trường nước bằng sinh khối khô của Spirulina platensis TH. Mục tiêu cụ thể + Tạo ra được vật liệu hấp phụ sinh học từ sinh khối vi khuẩn lam Spirulina platensis TH + Phân tích được đặc trưng của vật liệu hấp phụ sinh học (SEM, FTIR và EDX) từ Spirulina platensis TH + Đánh giá được ảnh hưởng của các điều kiện (nồng độ, pH, liều lượng và nhiệt độ) đến hiệu quả hấp phụ ion Cd2+ và Zn2+ của vật liệu hấp phụ Spirulina platensis TH trong ở chế độ tĩnh.
+ Đánh giá được hiệu quả xử lý Zn2+ của vật liệu Spirulina platensis TH trên nền PUF ở chế độ động. - Nội dung nghiên cứu: Nội dung 1: Tổng hợp các nghiên cứu về ứng dụng vi khuẩn lam và vi tảo nhằm xử lý kim loại nặng trong nước và chế tạo vật liệu hấp phụ để xử lý nước Nội dung 2: Phân tích các đặc trưng hóa lý (SEM, FTIR, EDX) của vật liệu hấp phụ sinh học Spirulina platensis TH Nội dung 3: Khảo sát khả năng hấp phụ ion Cd2+ của vật liệu hấp phụ Spirulina platensis TH ở chế độ tĩnh + Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện như pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc, khối lượng vật liệu, nồng độ ion ban đầu đến khả năng loại bỏ ion Cd2+. Từ đó, xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ của vật liệu Spirulina platensis TH. Nội dung 4: Khảo sát khả năng hấp phụ ion Zn2+ của vật liệu hấp phụ Spirulina platensis TH ở chế độ tĩnh + Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện như pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc, khối lượng vật liệu, nồng độ ion ban đầu và xây dựng các đường đẳng nhiệt hấp phụ của vật liệu Spirulina platensis TH.
Nội dung 5: Khảo sát khả năng hấp phụ ion Zn2+ của vật liệu hấp phụ Spirulina platensis TH ở chế độ cột. - Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài: Nghiên cứu sử dụng các phương pháp thông dụng hiện hành, nguyên liệu dễ kiếm, chi phí thấp. Bên cạnh đó, nghiên cứu còn kết hợp vi khuẩn lam với vật liệu mang với mục đích nhằm giảm đến mức thấp nhất các tác động của môi trường. Thử n 3 nghiệm hiệu quả với các điều kiện đầu vào khác nhau (pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc, khối lượng vật liệu và nồng độ đầu vào) để lựa chọn ra được các điều kiện tối ưu giúp tăng hiệu quả xử lý khi vận hành trong thực tiễn.
Kết quả thu được sẽ là dữ liệu khoa học có giá trị trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng vi khuẩn lam trong xử lý kim loại nặng trong nước. Góp phần cung cấp thêm bằng chứng hữu ích hơn về sự đóng góp của công cụ sinh học trong các quá trình xử lý các chất ô nhiễm môi trường. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. TỔNG QUAN VỀ KIM LOẠI KẼM VÀ CADIMI 1.
Tính chất chung ❖ Tính chất chung của kẽm - Tính chất vật lý Kẽm có màu lam nhạt, nghịch từ và hầu hết trong thương mại kẽm phẩm cấp có màu xám xỉn. Kẽm có cấu trúc tinh thể sáu phương là một lục giác không đều và nó có phân bố tinh thể loãng hơn so với sắt [1]. Kẽm giòn và cứng ở hầu hết các cấp nhiệt độ nhưng lại trở nên dễ uốn ở nhiệt độ từ 100 đến 150°C. Và khi trên 210°C, kim loại này sẽ giòn trở lại và có thể được tán nhỏ bằng lực.
Kẽm có độ nóng chảy (419,5°C, 787,1F) và điểm sôi (907°C). Điểm sôi của Zn chỉ cao hơn thủy ngân và cadmi và nó được đánh giá là một trong số các điểm sôi thấp nhất của các kim loại chuyển tiếp [2]. - Tính chất hóa học Kẽm là một nguyên tố kim loại chuyển tiếp, có kí hiệu là Zn với số hiệu nguyên tử là 30. Nó là nguyên tố đầu tiên trong nhóm 12 (IIB) của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học và có 5 đồng vị bền.
Kẽm là kim loại có độ hoạt động trung bình và tính oxy hóa mạnh. Kim loại này có thể tác dụng được với các dung dịch axit, kiềm, muối và nhiều phi kim. Tuy nhiên, nhờ trên bề mặt có một lớp màng mỏng cacbonat hoặc oxit bazơ bảo vệ nên kẽm thường không bị oxi hóa trong không khí cũng như trong nước. ❖ Tính chất chung của Cadimi - Tính chất vật lý Cadimi là một kim loại màu ánh kim bạc hơi xanh xám, là một chất rắn dễ rèn và dễ cán.
Cadimi trong môi trường không khí mờ đục là nhờ có lớp màng cadmium oxide bảo vệ khỏi nó bị oxi hoá. Cd có khối lượng riêng bằng 8,65 g/cm3, nóng chảy ở 321,07oC, sôi ở 767oC. - Tính chất hóa học Cd là kim loại có tính khử trung bình, thế điện cực chuẩn E0Cd2+/Cd = - 0,4V. Có mức oxi hóa phổ biến là +2.
Trong không khí ẩm, Cd bị phủ một màng oxit bền. Khi đun nóng Cd có thể phản ứng với nhiều phi kim (oxi, halogen, phot pho và lưu huỳnh,. Cd tác dụng với axit loãng (HCl và H2SO4) tạo muối và gải phóng khí hidro. Khi tác dụng với muối Cd đẩy được các kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối.
Ngoài ra Cd còn có thể tác dụng được với hơi nước. Trong tự nhiên Cd ít khi tồn tại ở dạng nguyên chất mà thường ở dạng muối (Cd ). Tuy tác dụng với axit loãng và các halogen, tuy nhiên Cd lại khá bền trong 2+ n 5 môi trường kiềm điều này được đánh giá là khác với Zn. Sự khác chủ yếu giữa Cd và Zn là cadimi hidroxit Cd(OH)2 có tính bazơ mạnh còn kẽm hidroxit Zn(OH)2 lại lưỡng tính [3].
Vai trò, ứng dụng ❖ Vai trò, ứng dụng của Kẽm Kẽm là một khoáng vi lượng rất cần thiết cho con người và sinh vật sống, đặc biệt trong quá trình phát triển của thai nhi và trẻ sơ sinh. Việc thiếu kẽm sẽ gây ra một số loại bệnh thường gặp người (suy giảm chức năng của thị giác, loét miệng, rối loạn thần kinh,. Thiếu kẽm là một trong những nguyên nhân gây ra sự chậm phát triển, dễ nhiễm trùng và tiêu chảy ở trẻ em [4]. Kẽm đang là kim loại được sử dụng phổ biến đứng thứ tư tính theo tổng lượng sản xuất hàng năm sau sắt, nhôm và đồng.
Kẽm được ứng dụng chính trong các ngành như: mạ kẽm, hợp kim, đồng thau và đồng điếu, ngoài ra các dạng hợp chất của kẽm cũng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp tạo màu sơn, chất xúc tác trong chế biến cao su,. ❖ Vai trò, ứng dụng của Cadimi Cadimi là một kim loại vết tương đối hiếm, là sản phẩm phụ của các hoạt động khai khác, luyện kim quặng và nó cũng được giải phóng ra môi trường trong quá trình đốt than, đốt rác thải và luyện thép. Cadimi và các hợp chất của nó có ứng dụng khá đa dạng trong nhiều lĩnh vực nhờ vào tính chất ít bị rỉ sét. Khoảng ¾ lượng Cd sản xuất ra được sử dụng cho một số loại pin (chủ yếu là pin Niken-Cadimi) và ¼ lượng Cd còn lại thì phần lớn sẽ được sử dụng trong các lớp sơn phủ, tấm mạ kim loại và làm chất ổn định cho plastic.
Một vài hợp chất của Cd có màu sắc khá rực rỡ bởi vậy người ta dùng cadimi sunfua (CdS) để chế tạo các loại sơn màu vàng có sắc thái khác nhau.