MỞ ĐẦU Công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đã đi kèm với tình trạng ô nhiễm môi trường gia tăng, đặc biệt là ô nhiễm do kim loại nặng. Môi trường nước ở Việt Nam đang xuống cấp một cách cục bộ. Nước thải ở nhiều cơ sở sản xuất chỉ được xử lý sơ bộ, thậm trí chưa được xử lý đã thải ra môi trường. Hậu quả là môi trường nước ở nhiều nơi đang bị ô nhiễm kim loại nặng (Cu, Ni, Pb, Cd, Fe, Zn,…)[3].
Có rất nhiều phương pháp để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi nước như trao đổi ion, thẩm thẩu ngược, lọc nano, kết tủa hoặc hấp phụ. Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác vì vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước ô nhiễm thêm [2]. Gần đây, graphen và vật liệu trên cơ sở graphen nhận được sự quan tâm đặc biệt bởi những đặc tính hấp dẫn như diện tính bề mặt lớn, độ ổn định hoá học cao và tính đàn hồi tốt đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới ghi nhận [15]. Graphen và các dẫn xuất của nó đang được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực ứng dụng quan trọng công nghệ điện tử, máy tính như tích trữ năng lượng, pin mặt trời, transistors, xúc tác cảm biến, đặc biệt là chúng được làm vật liệu hấp phụ trong xử lý môi trường.
Graphen oxit là chất nền lí tưởng cho việc gắn các oxit kim loại để nâng cao hiệu suất hấp phụ vật liệu [17]. Trong những năm gần đây, một số oxit kim loại như MnO2, Fe2O3, TiO2, Al2O3, ZnO,. đã được nghiên cứu về khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng trong nước và nước thải. Tuy nhiên việc sử dụng độc lập các oxit kim loại còn gặp nhiều khó khăn bởi các hạt oxit dễ dàng kết dính lại với nhau và phân tán kém trong dung dịch.
Nano MnO2 có nhiều ứng dụng như để sản xuất pin khô, là chất xúc tác, dùng trong sản xuất đồ gốm,… Với diện tích bề mặt riêng lớn nên Nano MnO2 có ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý môi trường[5]. ----------------------------------------------------------------------------------------------------- -Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Chi 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Hóa Học --------------------------------------------------------------------------------------------- Chính vì vậy, với mong muốn kết hợp được những đặc tính quý giá của hai loại vật liệu Graphen Oxit và Nano MnO2 để chế tạo được vật liệu có khả năng hấp phụ tốt, chúng tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposit Graphen Oxit/MnO2 và ứng dụng để xử lý một số kim loại nặng trong môi trường nước”. ----------------------------------------------------------------------------------------------------- -Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Chi 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Hóa Học --------------------------------------------------------------------------------------------- CHƢƠNG I.1 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng và các phƣơng pháp xử lý 1.1 Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại nặng có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3[3]. Hầu hết các kim loại nặng ở dạng vết là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của sinh vật.
Nồng độ giới hạn của một số kim loại nặng trong nước thải công nghiệp và nước cấp sinh hoạt theo Tiêu Chuẩn Quốc TCVN 5945:2010 Giá trị giới hạn (mg/l) STT Tên chỉ tiêu (TCVN 5945:2010) Nƣớc cấp sinh hoạt Nƣớc thải công nghiệp 1 Hàm lượng Cadimi 0,1 0,2 2 Hàm lượng chì 0,1 0,5 3 Hàm lượng niken 0,2 0,5 4 Hàm lượng Crom (VI) 0,05 0,1 5 Hàm lượng Crom (III) 0,2 1 6 Hàm lượng đồng 2 2 7 Hàm lượng kẽm 3 3 Tuy nhiên, khi hàm lượng của chúng vượt quá giới hạn cho phép, chúng lại thường có độc tính cao. Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước là nước thải chứa các ion kim loại nặng từ các khu công nghiệp, khu chế xuất thải ra môi trường. Một số hợp chất kim loại nặng khi thải ra môi trường bị tích tụ và đọng lại trong đất, song có một số hợp chất có thể hòa tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Điều này tạo điều kiện để các kim loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây ô nhiễm.
Các kim loại nặng thường xâm nhập vào cơ thể theo chu trình thức ăn. Ngoài ra còn thông qua con đường hô hấp, tiếp xúc gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và sinh vật [3]. ----------------------------------------------------------------------------------------------------- -Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Chi 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Hóa Học --------------------------------------------------------------------------------------------- Hiện nay nước ta đang phát triển kinh tế theo hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Các khu công nghiệp, khu chế xuất ngày càng phát triển và mở rộng hơn.
Những vấn đề của hệ sinh thái đang gia tăng với sự tiến bộ của công nghiệp. Kim loại nặng độc hại phát tán vào trong môi trường ngày càng tăng. Nguồn nước thải của các cơ sở sản xuất, nước thải sinh hoạt của người dân chưa được xử lý hoặc xử lý không triệt để vẫn đang hàng ngày thải ra môi trường nước. Các khu công nghiệp luyện gang thép, kim loại màu, kim loại mạ, khai thác mỏ hoạt động… cũng ít nhiều gây ảnh hưởng đến môi trường.
Bên cạnh đó hàng trăm làng nghề thủ công như: đúc đồng, nhôm, chì,… cũng chưa có các biện pháp xử lý nước thải có hiệu quả trước khi thải ra ngoài môi trường nước. Theo số liệu phân tích cho thấy, hàm lượng các ion kim loại nặng trong môi trường nước gần các khu công nghiệp đều xấp xỉ hoặc vượt quá giới hạn cho phép[4]. Hơn nữa các ion kim loại nặng không phân huỷ thành sản phẩm cuối cùng vô hại giống như một số chất ô nhiễm hữu cơ,. cho nên việc xử lý ô nhiễm các kim loại nặng trở thành vấn đề cấp thiết hiện nay.
Tình trạng ô nhiễm và độc tính của niken Niken là kim loại màu trắng bạc, bề mặt bóng láng. Ở điều kiện bình thường, Niken ổn định trong không khí và trơ với Oxi. Niken là kim loại có tính linh động cao trong môi trường nước, có khả năng tạo phức bền với các hợp chất hữu cơ tự nhiên và tổng hợp. Niken có ứng dụng nhiều trong công nghiệp.
Khoảng 65% Niken được dùng làm thép không gỉ, 12% Niken được dùng làm siêu hợp kim, 23% còn lại được dùng trong luyện thép, pin sạc, chất xúc tác,…Con người tiếp xúc lâu dài với Niken có thể gây hiện tượng viêm da và có thể xuất hiện dị ứng. Ngộ độc Niken qua đường hô hấp gây khó chịu, buồn nôn, nếu kéo dài sẽ ảnh hưởng đến phổi và hệ thần kinh trung ương, gan thận,… Niken và các hợp chất của Niken xâm nhập qua đường hô hấp có thể gây bệnh kinh niên[1,11]. Tình trạng ô nhiễm và độc tính của đồng Đồng được phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, có tính dẫn điện, dẫn ----------------------------------------------------------------------------------------------------- -Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Chi 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Hóa Học --------------------------------------------------------------------------------------------- nhiệt tốt nên nó là một trong những kim loại chủ yếu của kĩ thuật điện. Đồng được sử dụng nhiều để sản xuất mô tơ điện, động cơ điện, máy thu thanh, vô tuyến truyền hình, các thiết bị điện tử, các đồ dùng gia dụng.
Trong các ngành thuộc da, thuốc nhuộm, y học,. Ngoài ra đồng còn là nguyên tố vi lượng quan trọng, cần thiết đối với thực vật và động vật. Với thực vật, nếu thiếu đồng, hàm lượng diệp lục tố ít đi, lá bị vàng úa, cây ngừng ra hoa quả và có thể chết. Ở người và động vật khi thiếu đồng, hoạt tính của hệ men giảm đi, quá trình trao đổi protein bị chậm lại, do đó các mô xương chậm phát triển, thiếu máu, suy nhược… Nhu cầu hàng ngày của người lớn khoảng 0,033 – 0,050 mg/kg thể trọng.
Tuy nhiên nếu hàm lượng đồng trong cơ thể lớn thì cơ thể sẽ bị nhiễm độc và có thể gây một số bệnh về thần kinh, gan, thận; lượng lớn đồng hấp thụ qua đường tiêu hóa có thể gây tử vong. Tình trạng ô nhiễm và độc tính của chì Chì là một trong bảy kim loại mà con người đã biết từ thời cổ đại. Ba bốn ngàn năm trước công nguyên, người cổ Ai cập đã dùng chì để đúc tiền, đúc tượng và những vật dụng khác. Quặng chì quan trọng nhất là galenit (PbS), ngoài ra còn gặp chì trong quặng xeruzit (PbCO3)[5,8].
Việc sử dụng rộng rãi chì làm nảy sinh một số vấn đề lớn là sự ô nhiễm độc chất chì trong môi trường sinh thái, đặc biệt là môi trường nước. chì là kim loại nặng có tính độc hại cao, khi xâm nhập vào cơ thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Những hợp chất cơ chì (IV) đặc biêt là tetra-alkyl và tetra-aryl rất độc. Nguyên nhân gây ô nhiễm chì trong nguồn nước là do thải từ các nhà máy cơ khí, nhà máy sản xuất, ắc quy và gốm sứ… chưa được xử lí hoặc chưa xử lí triệt để thải ra môi trường.
Về độc tính, các muối chì đều rất độc và độc tính phụ thuộc vào dạng tồn tại của nó. Khi vào cơ thể, chì tích lũy trong các mô mỡ của não, gan hoặc mô nhiều sừng như da, lông, tóc, móng. Nếu hàm lượng của chì trong máu trên 0,3mg/l, nó sẽ ngăn cản quá trình oxy hóa glucose tạo ra năng lượng duy trì sự sống, nhưng nếu hàm lượng chì trong máu trên 0.8mg/l sẽ gây thiếu máu do thiếu hụt hemoglobin ----------------------------------------------------------------------------------------------------- -Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Chi 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Hóa Học --------------------------------------------------------------------------------------------- 1. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ trong xử lý ion kim loại nặng Hấp phụ là phương pháp tách chất, trong đó các cấu tử hỗn hợp lỏng hoặc khí bị hút trên bề mặt chất rắn, xốp.
Hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào tính chất vật lý và hóa học của chất hấp phụ, nồng độ pha lỏng, nhiệt độ của hệ, dạng tiếp xúc và thời gian tiếp xúc[3].