CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG 1.Khái quát về ô nhiễm kim loại nặng. Kim loại nặng thường được định nghĩa là các kim loại có khối lượng riêng cao hơn 5g/cm3 [1] bao gồm các kim loại như: As, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Zn,… Hầu hết các kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của sinh vật. Tuy nhiên, khi hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép chúng thường có độc tính cao, gây ra những tác động hết sức nguy hại đến sức khỏe con người và sinh vật.
Khi xâm nhập vào cơ thể với hàm lượng cao, các kim loại nặng gây mất hoạt tính của các enzyme, cản trở quá trình tổng hợp protein trong cơ thể [2]. Mặc dù ảnh hưởng có hại của kim loại nặng đã được biết đến từ rất lâu, nhưng việc tiếp xúc của con người với kim loại nặng vẫn tiếp tục xảy ra hàng ngày thậm chí ngày càng tăng trong nhiều lĩnh vực, như việc sử dụng thủy ngân trong khai thác vàng, Arsen trong bảo quản gỗ, Niken trong xi mạ,… Phát thải kim loại nặng vào môi trường từ nhiều con đường khác nhau bao gồm: thải vào không khí (đốt, khai thác, chế biến sản phẩm), thải vào trong nước (thông qua nước rửa, qua quá trình vận chuyển, lưu trữ), thải vào trong đất, sau đó đi vào trong nước ngầm, gây nhiễm độc cây trồng. Đặc biệt và nghiêm trọng hơn là các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp mạ điện, luyện kim, điện tử,… đã tạo ra nguồn ô nhiễm chính chứa kim loại nặng, có thể gây bệnh ung thư, biến đổi gen trên con người cũng như ảnh hưởng đến môi trường [2-4]. Trong số các kim loại nặng kể trên, Niken (Ni) và Kẽm (Zn) là hai kim loại nặng thường hay gặp trong nước thải ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là nước thải nhà máy xi mạ.
Các đặc điểm của Niken và Kẽm được trình bày sau đây. Niken (Ni) và tác hại. Niken là một nguyên tố tồn tại tự nhiên trong vỏ trái đất. Niken có thể xuất hiện trong một số trạng thái oxi hóa nhưng chỉ có Niken(II) bền vững trên dãy pH rộng [2].
Do các tính chất vật lý và hóa học, kim loại Niken và các hợp chất có nhiều ứng dụng hữu ích trong cuộc sống như dùng trong nhà máy thép, trong sản xuất một số loại hợp kim, công nghiệp pin và sử dụng trong công nghiệp xi mạ,… Nước thải trong các 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ngành công nghiệp trên và khói thải động cơ diesel, khói thải than đá,… là các nguồn phát thải chính của Ni(II) [2-4]. Ni(II) rất có hại nếu thải ra nguồn nước tự nhiên. Ni(II) xâm nhập vào cơ thể chủ yếu qua đường hô hấp, ngộ độc cấp tính của Ni(II) gây ra đau đầu, chóng mặt, buồn nôn và ói mửa, đau ngực, tức ngực, ho khan và khó thở, hô hấp nhanh, tím tái và yếu ớt. Nếu tiếp xúc nhiều với Niken sẽ ảnh hưởng xấu đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận, ở mức độ nghiêm trọng có thể gây ung thư phổi, mũi và xương [3, 4].
Da tiếp xúc với Ni sẽ gây hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng,… Ước tính với nồng độ Niken carbonyl [Ni(CO)4] khoảng 30mg/L trong khí quyển có thể gây tử vong cho người tiếp xúc [3]. Sở dĩ Ni(II) gây ra các độc tính là do nó có thể thay thế các kim loại thiết yếu trong các enzyme và gây ra sự đứt gãy các đường trao đổi chất trong cơ thể sinh vật và người. Ngoài ra, Ni(II) kìm hãm sự phát triển của cây và ảnh hưởng môi trường, đất, không khí, nước. Kẽm (Zn) và tác hại.
Trạng thái oxi hóa duy nhất của kẽm ở điều kiện thường là Zn(II) [2]. Kẽm được sử dụng rất phổ biến chỉ sau sắt, nhôm, đồng trong công nghiệp và đời sống. Kẽm thường được sử dụng trong pin, làm chất chống ăn mòn trong công nghiệp xi mạ, rất nhiều hợp kim của kẽm được sử dụng rộng rãi, kẽm oxit được sử dụng làm chất tạo màu trắng trong sơn,…[2]. Ngoài các lợi ích trong ngành hóa chất, kẽm còn đóng góp một phần không nhỏ trong sự tồn tại của con người.
Kẽm là một chất khoáng vi lượng thiết yếu cho sinh vật và sức khỏe con người, là yếu tố cần thiết cho sự tồn tại của con người, động vật và thực vật bậc cao, thiếu kẽm sẽ làm cho các chức năng giảm sút. Kẽm đóng một vai trò là chất cấu tạo và xúc tác trong nhiều enzyme liên quan đến quá trình đồng hóa năng lượng, trong việc chuyển đổi các chất. Đối với con người, thiếu kẽm gây giảm trí tuệ và khả năng miễn dịch, khả năng nhận biết vị giác. Động vật bậc cao cần hấp thụ kẽm chủ yếu dưới dạng Zn2+ vì Zn2+ đóng một vai trò là thành phần kim loại của enzyme [2, 5].
Tuy nhiên, hàm lượng kẽm cao gây hại cho sức khỏe. Các nghiên cứu cho thấy Zn2+ rất độc hại khi vượt mức cho phép, các triệu chứng của ngộ độc kẽm bao gồm 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP khó chịu, cứng cơ, chán ăn và buồn nôn. Ngoài ra, kẽm và các kim loại nặng khác tích lũy sinh học vào hệ động thực vật tạo ra các vấn đề về sinh thái [2, 5]. Nguồn gốc chủ yếu phát thải kẽm vào môi trường là từ các quá trình khai thác mỏ, tinh chế quặng kẽm, chì và cadmium, công nghiệp sản xuất thép, quá trình đốt than và các chất thải, nước thải từ các quá trình xi mạ, sản xuất dược phẩm, sơn, bột màu, thuốc trừ sâu, mỹ phẩm.
Vấn đề đặt ra là phải xử lý loại bỏ Zn(II) và Ni(II) ra khỏi nguồn nước thải trước khi thải ra môi trường. Các phương pháp xử lý như kết tủa hóa học, điện phân, trao đổi ion, lọc, kết tủa điện, quá trình lọc và hấp phụ trên than hoạt tính,… [3, 6]. Trong các phương pháp xử lý, hấp phụ là một phương pháp có hiệu quả cao, giá rẻ và dễ áp dụng [5]. Một số phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng 1.
Phương pháp kết tủa hóa học Xử lý kim loại nặng bằng phương pháp kết tủa [7] là phương pháp hiệu quả và được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Trong quá trình kết tủa, hóa chất phản ứng với các kim loại nặng để tạo thành kết tủa không tan, kết tủa hình thành có thể được tách ra khỏi dung dịch bằng cách lắng hoặc lọc. Phương pháp kết tủa hóa học thông thường gồm: kết tủa hydroxide và kết tủa sulfide. Kỹ thuật kết tủa hóa học được sử dụng rộng rãi nhất [7] là kết tủa hydroxide do tương đối đơn giản, chi phí thấp và dễ dàng kiểm soát độ pH.
Các hydroxide kim loại tan kém nhất ở khoảng pH từ 8 đến 11, tại pH này các hydroxide kim loại được loại bỏ bằng kết tủa và lắng xuống. Nhiều hydroxide được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi nước thải, trong đó vôi bột thường được sử dụng do chi phí thấp. Dù được sử dụng rộng rãi và có nhiều thuận lợi, phương pháp kết tủa hydroxide cũng có một số hạn chế như tạo ra bùn thải lớn khó xử lý, khó tìm ra pH kết tủa thích hợp cho hydroxide kim loại lưỡng tính và hỗn hợp các hydroxide kim loại nặng, một hạn chế khác là các tác nhân tạo phức hiện diện trong nước thải sẽ ức chế sự kết tủa kim loại [7]. Phương pháp kết tủa hóa học khi kết hợp với phương pháp khác có thể đạt hiệu quả cao hơn.
Kết tủa hóa học là phương pháp truyền thống xử lý kim loại nặng trong nước thải, có ưu điểm là chi phí thấp và quá trình đơn giản. Kết tủa hóa học thường 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP được sử dụng để xử lý nước thải có nồng độ ion kim loại cao và không có hiệu quả khi nồng độ ion kim loại trong nước thải thấp. Ngoài ra, một hạn chế khác của phương pháp này là không mang lại hiệu quả kinh tế và tạo ra lượng bùn thải lớn khó xử lý [7]. Phương pháp trao đổi ion.
Quá trình trao đổi ion đã được sử dụng rộng rãi để loại bỏ kim loại nặng từ nước thải do nhiều lợi thế như khả năng và hiệu quả xử lý cao và động học nhanh [7]. Nhựa trao đổi ion bao gồm nhựa tổng hợp hoặc nhựa cứng tự nhiên, có khả năng trao đổi cation của nó với các kim loại trong nước thải. Trong các vật liệu trao đổi ion, nhựa tổng hợp thường được sử dụng vì chúng có hiệu quả loại bỏ gần như hoàn toàn các kim loại nặng từ dung dịch. Khi dung dịch chứa ion kim loại nặng đi qua lớp nhựa trao đổi ion, các ion kim loại trao đổi với các ion hydro trên nhựa theo phương trình: nR – SO3H + Mn+ (R – SO3-)nMn+ +nH+ (1.1) nR – COOH + Mn+ (R – COO-)nMn+ +nH+ (1.2) Khả năng hấp thu của các ion kim loại nặng bằng nhựa trao đổi ion bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như pH, nhiệt độ, nồng độ kim loại ban đầu, thời gian tiếp xúc và điện tích ion [7].
Nhiều loại vật liệu trao đổi ion như nhựa tổng hợp, zeolit tự nhiên, khoáng chất silicat tự nhiên đã được nghiên cứu sử dụng để loại bỏ ion kim loại nặng trong nước. Quá trình trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong xử lý các kim loại nặng trong nước thải. Tuy nhiên các hóa chất thải ra trong quá trình tái sinh nhựa trao đổi ion có thể là nguồn ô nhiễm thứ cấp nghiêm trọng. Phương pháp này còn có một hạn chế là chi phí cao, đặc biệt là khi xử lý nước thải với nồng độ ion kim loại thấp, làm cho quá trình trao đổi ion không thể được sử dụng ở quy mô lớn [7].
Phương pháp lọc màng Công nghệ lọc màng cho thấy nhiều hứa hẹn để loại bỏ kim loại nặng từ trong nước với hiệu quả cao, dễ thực hiện và không chiếm không gian [7]. Các quá trình lọc màng thường được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng trong nước thải là siêu lọc, thẩm thấu ngược, lọc nano và lọc điện. - Siêu lọc [7] là kỹ thuật màng làm việc với áp suất qua màng thấp, áp dụng cho các chất hòa tan và chất dạng keo. Do kích thước lỗ trống trên màng lớn hơn các ion 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP kim loại hòa tan trong dạng ngậm nước hoặc phức có phân tử lượng thấp, các ion này sẽ vượt qua màng siêu lọc dễ dàng [7].
- Quá trình thẩm thấu ngược [7] sử dụng một màng bán thấm cho phép các chất lỏng tinh khiết đi qua, ngăn chăn các chất gây ô nhiễm. Phương pháp này có thể loại bỏ hàng loạt các chất hòa tan trong nước.
