CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay, sự phát triển của nghành công nghiệp dẫn tới việc sử dụng nhiều loại hóa chất. Dẫn tới, có nhiều chất ô nhiễm độc hại bị thải vào các hệ sinh thái tự nhiên và môi trường nước như: kim loại nặng, chất màu hữu cơ và dung môi hữu cơ. Trong đó, ô nhiễm môi trường gây ra bởi các kim loại nặng độc hại là một vấn đề đang được quan tâm nhiều.
Ở mức nồng độ vi lượng một số kim loại nặng là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người. Tuy nhiên, khi vượt quá hàm lượng cho phép một số kim loại nặng này có thể gây nguy hại và sự phát triển của con người. Sử dụng các nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng làm tăng nguy cơ các kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể. Khi đó, các kim loại nặng sẽ ảnh hưởng đến các quá trình sinh hóa và dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng về sức khỏe, ảnh hưởng đến hệ thần kinh, chức năng thận, gan và hô hấp.
Một số kim loại nặng có thể gây ra sự chậm trễ trong quá trình tăng trưởng và phát triển của con người. Và làm gián đoạn hệ thống điều hòa sinh học gây ra các hội chứng mệt mỏi mãn tính và các bệnh lý thoái hóa thần kinh [1]. Ngoài ra, các kim loại nặng còn gây ra tác động tiêu cực đến thực vật và động vật. Các kim loại nặng gây xáo trộn trong quá trình nảy mầm và các cơ chế chuyển hóa của hạt và sự tăng trưởng của cây.
Trong tự nhiên, do hiện tượng tích tụ sinh học các kim loại nặng có thể được tìm thấy ở trong thực vật với nồng độ cao hơn có trong môi trường. Ngày nay, các nguồn gây ô nhiễm môi trường do kim loại nặng chủ yếu đến từ các nguồn nước thải chứa kim loại nặng. Vì vậy, xử lý loại bỏ kim loại nặng từ các nguồn nước thải này trước khi xã ra ngoài môi trường là điều cần được quan tâm hiện nay [2]. Ở Việt nam, nước thải chứa kim loại nặng chủ yếu từ các nghành công nghiệp xi mạ và tái chế kim loại.
Đặc trưng của nước thải nghành xi mạ là nồng độ các chất hữu cơ thấp nhưng hàm lượng các kim loại nặng và các muối vô cơ lại rất cao. Tuỳ theo kim loại của lớp mạ mà nguồn gây ô nhiễm có thể là Cu, Zn, Cr, Ni… Các kim loại nặng từ quá trình xi mạ ảnh hưởng đến đường ống dẫn nước, gây ăn mòn, xâm thực hệ thống cống rãnh. Từ đó, ảnh hưởng đến chất lượng cây trồng, vật nuôi, canh tác nông nghiệp, làm thoái hoá đất do sự chảy tràn và thẩm thấu của nước thải. Ngoài ra, các kim loại nặng từ nước thải xi mạ là nguyên nhân gây giảm lượng sinh vật phù du, gây bệnh cho cá và biến đổi tính chất hóa lý của nước.
Kim loại đồng, niken và chì 1. Nguồn gốc ô nhiễm Nguồn ô nhiễm chính của đồng bắt nguồn từ các dòng chất thải công nghiệp là làm sạch kim loại và bể mạ và nước rửa, làm đồng thau, ống nồi hơi, dụng cụ nấu ăn, phân bón và từ gia công kim loại đồng. Do đó, đồng thường xuyên được tìm thấy nước thải xi mạ và gia công kim loại đồng ở mức đáng kể [3]. Ô nhiễm niken đến từ các nguồn khác nhau từ các ngành công nghiệp sản xuất niken và luyện kim niken.
Ngoài ra, đốt cháy nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện và nhiệt là chính nguồn phát thải niken do con người gây ra. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng nồng độ ô nhiễm chủ yếu là do khí thải tạo ra. Hơn nữa, niken là một kim loại quan trọng và thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp kim loại đặc biệt là trong các hoạt động mạ [4]. Nước thải do tẩy và mạ niken gây ra nhiều vấn đề khó trong xử lý hơn là là trường hợp mạ các kim loại khác như đồng.
Trong thập kỷ trước, quá trình đốt cháy nhiên liệu xăng chứa chì chiếm 61% nguồn ô nhiễm chì do con người gây ra. Hiện tại, một lượng chì được thải ra trong quá trình nấu chảy quặng có chứa chì và trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Trong quá trình đốt cháy hầu hết chì tập trung trong tro và phần lớn tro bị cuốn vào bầu khí quyển. Dẫn tới, nguồn nước ô nhiễm chì khi tiếp xúc trực tiếp với khí quyển trên bề mặt nước.
Ngoài ra, nguồn nước cũng bị ô nhiễm chì do nước thải phát sinh từ các nguồn công nghiệp và tự nhiên đặc biệt thông qua quá trình khoáng hóa chì [5]. Độc tính Đồng là một nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho các loài động vật, thực vật bậc cao và thường được tìm thấy trong thành phần của các enzyme. Tuy nhiên với hàm lượng lớn hơn 4 mg/kg cơ thể, đồng có thể gây tổn thương gan, thận, dạ dày, ruột và có khả năng gây ung thư phổi [6]. Bên cạnh đó, niken cũng là một trong những kim loại nguy hiểm được đưa vào danh sách các chất gây ô nhiễm mức cao.
Ở nồng độ cao, niken gây nên ung thư phổi, mũi và xương. Một số dấu hiệu về ngộ độc cấp tính do niken gây ra như: nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn, nôn mửa, đau ngực, ho khan, hô hấp nhanh, da tím tái và suy nhược [7]. Mặt khác, chì cũng là một kim loại nặng độc hại do có khả năng tích lũy trong cơ thể, gây độc thần kinh, gây chết nếu bị nhiễm độc nặng. Hơn nữa, chì rất độc đối với động vật thủy sinh và đặc biệt độc hại đối với não và thận, cơ quan sinh sản và hệ thống tim mạch của con người.
Khi bị nhiễm độc, chì sẽ ảnh hưởng có 3 hại tới chức năng của trí óc, thận, gây vô sinh, sẩy thai, tăng huyết áp và đặc biệt nguy hại đối với trẻ em [8]. Từ các nhận định trên, xử lý nguồn nước nhiễm các kim loại Cu, Ni và Pb là một vấn đề cần thiết. Trong đó, các phương pháp có thể xử lý nước thải chứa Cu, Ni và Pb hiện nay gồm: kết tủa hóa học, trao đổi ion, lọc, hóa học, điện phân và trao đổi ion - hấp phụ. Một số phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay, có nhiều phương pháp và công nghệ khác nhau nhằm mục đích loại bỏ các kim loại nặng từ nước thải.
Các quá trình này bao gồm màng, kết tủa siêu lọc, thẩm thấu ngược, thẩm tách điện, sinh học, hấp phụ và trao đổi ion. Tuy nhiên, hấp phụ được xem là phương pháp có hiệu quả kinh tế trong việc loại bỏ kim loại khỏi nước thải. Phương pháp kết tủa Ở Việt Nam, phương pháp kết tủa là phương pháp phổ biến và thông dụng trong xử lý nước ô nhiễm kim loại. Do đây là một phương pháp rẻ tiền có khả năng xử lý nhiều kim loại nặng trong nước thải cùng một lúc.
Ngoài ra, nước thải sau khi xử lý bằng phương pháp kết tủa đạt mức chấp nhận được và có thể ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Cơ chế của phương pháp kết tủa như sau: Mn+ + Am- = MmAn [M]m.[A]n ≥ T (MmAn) Trong đó: Mn+: ion kim loại Am-: tác nhân gây kết tủa T: tích số tan Phương pháp kết tủa thường sử dụng các tác nhân tạo kết tủa như: S2-, PO43-, SO42-, Cl-, OH-. Tuy nhiên, các tác nhân S2-, OH- được sử dụng nhiều nhất vì có thể tạo kết tủa dễ dàng với hầu hết các kim loại nặng. Còn các ion PO43-, SO42-, Cl- chỉ tạo kết tủa với một số các ion kim loại nhất định.
Do đó, các ion PO43-, SO42-, Cl- chỉ được dùng khi nước thải chứa đơn kim loại hoặc một vài kim loại nhất định [9]. Phương pháp kết tủa có nhiều ưu điểm như: đơn giản, dễ sử dụng, rẻ tiền, xử lý được nhiều kim loại cùng lúc và có thể xử lý nước thải ở quy mô lớn. Tuy nhiên, với nồng độ kim loại cao thì phương pháp kết tủa không thể xử lý hoàn toàn. Ngoài ra còn tạo ra bùn thải kim loại cũng như tốn kinh phí xử lý bùn thải kim loại.
Phương pháp điện hóa Ngoài phương pháp kết tủa, phương pháp điện hóa cũng được ứng dụng để xử lý kim loại nặng trong nước. Nguyên tắc chung của phương pháp điện hóa là quá trình oxy hóa ở canot và khử ở catot. Ở catot: Khi cho dòng điện đi qua dung dịch thì cation và H+ sẽ tiến về bề mặt catot. Nếu thế phóng điện của cation lớn hơn của H+ thì cation sẽ thu electron của catot chuyển thành các ion ít độc hơn hoặc tạo thành kim loại bám vào điện cực.
Mn++ ne = Mo Ở anot: Xảy ra các quá trình oxy hóa các anion. Do đó ngoài việc xử lý các kim loại nặng trong nước thải phương pháp này còn có thể xử lý các chất ô nhiễm khác trong nước thải. Phương pháp điện hóa đơn giản, dễ sử dụng, không sử dụng hóa chất và dễ tự động hóa. Tuy nhiên, phương pháp điện hóa chỉ xử lý được những nước thải có nồng độ kim loại cao và tiêu tốn nhiều điện năng [9].
Phương pháp sinh học Ngoài các phương pháp xử lý kim loại nặng như kết tủa, điện hóa thì phương pháp sinh học được xem là một phương pháp xử lý tự nhiên và thân thiện với môi trường. Phương pháp hấp thụ sinh học là phương pháp sử dụng các loài sinh vật trong tự nhiên hoặc các sinh vật có nguồn gốc sinh học có khả năng giữ lại trên bề mặt hoặc thu nhận bên trong các tế bào các kim loại nặng trong môi trường nước thải chứa kim loại nặng. Hiện nay, có nhiều loài sinh vật thủy sinh có khả năng hấp thu kim loại nặng như: lục bình, bèo tấm, bèo ong, rong xương cá và các loài tảo vi tảo. Tuy nhiên, phương pháp sinh học chỉ xử lý được nước chứa kim loại ở nồng độ thấp và còn khá mới cũng như chưa được ứng dụng nhiều [9].
Phương pháp trao đổi ion và hấp phụ 1. Trao đổi ion Trao đổi ion là một quá trình hóa học, trong khi đó hấp phụ có thể là một quá trình vật lý hoặc hóa học. Quá trình trao đổi ion là sự trao đổi thuận nghịch của các ion giữa pha rắn và pha dung dịch mà trong pha rắn không xuất hiện sự thay đổi cấu trúc. Trao đổi ion có thể được sử dụng trong các quá trình xử lý khác nhau như quá trình tinh chế, tách và khử nhiễm.
Các chất trao đổi ion là các cation trao đổi các ion tích điện dương hoặc các anion trao đổi các ion mang điện tích âm.