MỞ ĐẦU Với tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng, môi trường đang ngày càng ô nhiễm, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng. Kim loại nặng có nhiều trong nước thải từ các ngành công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như sản xuất pin, da, khai thác mỏ và luyện kim. Kim loại nặng được đánh giá là các chất thải nguy hại, có khả năng gây ô nhiễm môi trường, độc tính cao, khả năng gây ung thư và tích tụ sinh học ngay cả ở nồng độ rất thấp [1]. Hiện nay, việc phát triển các công nghệ xử lí kim loại nặng đang rất được quan tâm nhằm duy trì an toàn và bền vững sinh thái.
Các phương pháp này bao gồm kết tủa hóa học, trao đổi ion, lọc màng, điện hóa. Tuy nhiên, các phương pháp này thường tồn tại các nhược điểm như phát sinh các chất ô nhiễm thứ cấp có hại như phân tử hữu cơ khó phân hủy, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi hoặc chi phí cao [1]. Hiện nay, phương pháp sử dụng vật liệu hấp phụ để loại bỏ ion kim loại nặng trong nước thải là một trong những phương pháp hiệu quả và có tính kinh tế cao. Trong số các vật liệu hấp phụ được nghiên cứu thì than sinh học đã nhận được nhiều sự chú ý vì các ứng dụng tiềm năng trong việc xử lí nước thải có chứa kim loại nặng.
Than sinh học có thể được tạo ra từ nhiều loại bã thải sinh khối như rơm, trấu, mùn cưa, bùn, chất thải nhà bếp, bã chè,… làm tăng nguồn sản xuất tiềm năng, dẫn đến giảm chi phí sản xuất và thân thiện với môi trường. Theo thống kê trên thế giới, mía được trồng ở khoảng 200 quốc gia và vùng lãnh thổ có sản lượng đạt 1. Còn đối với Việt Nam niên vụ 2009 - 2010 tổng diện tích mía nguyên liệu vào khoảng 290000 ha trong đó có 221816 ha nguyên liệu phục vụ cho nhà máy đường và số lượng bã thải ra rất lớn [2]. Lượng bã thải này là nguồn nguyên liệu dồi để sản xuất than sinh học.
Xuất phát từ những cơ sở trên, tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu(II) và Zn(II) trong dung dịch bằng than sinh học có nguồn gốc từ bã mía”. Giới thiệu về các ion kim loại nặng Cu(II), Zn(II) 1. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước Trong những năm gần đây, quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa dẫn đến sự hình thành của nhiều khu công nghiệp, khu chế xuất. Gắn liền với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, vấn đề gia tăng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng.
Trong đó ô nhiễm kim loại nặng là một trong những vấn đề cấp thiết gây ảnh hưởng đến đời sống, sức khỏe cũng như là sinh hoạt của người dân. Phần lớn các kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật. Ví dụ người trưởng thành mỗi ngày cần khoảng 2 mg đồng [3]. Tuy nhiên, khi hàm lượng kim loại nặng vượt quá giới hạn cho phép gây ra những tác động hết sức nguy hại đến sức khỏe con người và sinh vật.
Theo số liệu phân tích cho thấy hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước gần các khu công nghiệp đều xấp xỉ hoặc vượt mức giới hạn cho phép [2]. Theo các Ngô Xuân Quỳnh và Tô Xuân Quỳnh, nước thải từ các làng nghề tái chế kim loại, khu công nghiệp có hàm lượng kim loại nặng vượt quá tiêu chuẩn cho phép và thường được thải trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm [4], [5]. Chất lượng nước mặt tại khu vực làng nghề tái chế kim loại Văn Môn có nồng độ ion Cu(II) là 1,08 mg/L vượt tiêu chuẩn được quy định năm 2008 đến 2 lần [5]. Chất lượng nước thải cũng vượt tiêu chuẩn như nồng độ ion Cu(II) cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 1,1 đến 1,5 lần, nồng độ ion Zn(II) cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 1 đến 2 lần [5].
Một số hợp chất kim loại nặng có khả năng bị tích tụ và lắng đọng trong đất. Một số khác hợp chất khác lại có khả năng hòa tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Do đó các ion kim loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây ô nhiễm. Các ion kim loại nặng có thể xâm nhập vào cơ thể người theo chu trình thức ăn hoặc thông qua con đường hô hấp, tiếp xúc qua da.
Theo nghiên cứu về hàm lượng kim loại nặng trầm tích trong đất và nước tại vùng ven biển bán đảo Cà Mau của Nguyễn Văn Tho và Bùi Thị Nga cho thấy có sự ô nhiễm nhẹ của kẽm và đồng trầm tích trong đất tại Cà Mau [6]. Nồng độ kẽm và đồng trong nước đều vượt tiêu chuẩn sử dụng để nuôi thủy sản ven bờ. Tổng cục đo lường Việt Nam 3 (2004) cho phép nồng độ Zn trong nước biển ven bờ sử dụng cho nuôi thủy sản khoảng 0. Tại các vùng bãi bồi ven biển Cà Mau, hàm lượng Zn có trong nước dao động trong khoảng 0,03 - 0,09 mg/L và vượt mức quy định [6].
Theo nghiên cứu về một số kim loại nặng trong trầm tích sông rạch tại thành phố Hồ Chí Minh cũng cho thấy đã có sự tích lũy khá lớn các kim loại nặng Cu, Zn, Cr và Cd, đặc biệt nghiêm trọng kênh Tân Hóa-Lò Gốm [7]. Một số nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong nước Ô nhiễm kim loại nặng trong nước thường bắt nguồn từ nước thải của các khu công nghiệp, khu vực khai thác khoáng sản và từ các thành phố lớn. Do nhu cầu của con người để phục vụ cho đời sống và sản xuất nên việc khai thác quặng mỏ cũng tăng lên. Điều này dẫn đến lượng nước thải từ việc khai thác cũng gia tăng nhưng chưa được quan tâm xử lí đúng mực.
Ngoài ra công nghiệp chế biến quặng và luyện kim cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng trong nước. Ô nhiễm đồng thường đến từ quá trình sản xuất các sản phẩm như dây điện, que hàn, chế tạo động cơ điện hoặc đến từ phân bón, thuốc trừ sâu. Đối với kẽm, ô nhiễm có thể xuất phát từ công nghiệp mạ, hàn, chế tạo pin, sơn, nhuộm,…[4], [8]. Theo các nghiên cứu của Viện Y học lao động và Vệ sinh môi trường năm 2009, tại các khu vực khai thác, chế biến kim loại màu như mỏ chì - kẽm ở Lang Hích, mỏ chì - kẽm ở Bản Thi, mỏ manganese ở Cao Bằng, mỏ thiếc Sơn Dương,… thường có hàm lượng kẽm vượt giới hạn cho phép từ 2 – 15 lần [9].
Ảnh hưởng của đồng đến môi trường và con người Đồng là một chất quan trọng, là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cây trồng và động vật. Ở trạng thái đơn chất đồng có màu hơi đỏ, sáng bóng ánh kim, mềm dễ dát mỏng và là một chất dẫn điện tốt [10]. Đồng với nồng độ vi lượng rất cần cho động vật và thực vật. Người trưởng thành mỗi ngày cần khoảng 2 mg đồng.
Thực vật thường mẫn cảm với đồng hơn động vật. Nước có hàm lượng 1 µg/L đã gây ô nhiễm đối với thực vật, trong khi nồng độ đồng gây độc với cá là 3 µg/L. Trong nước, đồng tồn tại dạng phức với humid acid, phức đồng ít gây độc đối với thực vật và động vật sống trong nước [8]. 4 Các hợp chất của đồng với nồng độ thấp thường ít gây độc, các muối đồng có thể gây tổn thương đường tiêu hóa, gan, thận và niêm mạc.
Ngộ độc do đồng hiếm xảy ra, tuy nhiên nếu có thì ở vùng nước có nồng độ đồng trên 3 mg/L. Sự kích thích dạ dày cấp tính có thể xảy ra ở một số người sau khi uống nước có nồng độ đồng trên 3 mg/L. Đồng có thể gây bệnh thoái hóa gan nhân đậu (hepatolenticular degeneration) làm cơ chế điều chỉnh đồng bị suy giảm. Uống nước có nồng độ đồng cao trong thời gian dài sẽ làm tăng nguy cơ bị xơ gan [3].
Đồng cũng là một nguyên tố vi lượng cần thiết tham gia vào quá trình tạo hồng cầu, bạch cầu và làm thành phần của nhiều enzyme trong cơ thể. Cơ thể thiếu đồng sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển, đặc biệt đối với trẻ em. Ảnh hưởng của kẽm đến môi trường và con người Kẽm là nguyên tố vi lượng được tìm thấy trong nhiều loại thực phẩm và nước uống dưới hình thức các phức chất hữu cơ và là thành phần của trên 70 enzyme trong cơ thể người [8]. Nó có vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein, cấu tạo và hoạt động của các màng sinh học.
Người trưởng thành cần khoảng 15 mg/ngày. Nếu thiếu kẽm sẽ xuất hiện hiện các triệu chứng như biếng ăn, kém phát triển, da tổn thương và không phát triển giới tính [10]. Kẽm xâm nhập vào các hệ sinh thái nước thông qua hoạt động khai khoáng, thuốc diệt nấm, công nghiệp sản xuất tơ sợi tổng hợp, công nghiệp mạ điện,…[3], [8]. Trong nước, kẽm tích tụ ở phần chất sa lắng, chiếm 45 – 60% nhưng nếu ở dạng phức có thể hoàn tan trở lại và phân bố đều trong nước.
Một số thực vật và động vật có khả năng tích tụ kẽm. Ở những vùng bị ô nhiễm kẽm, nồng độ kẽm trong cơ thể cá gấp hơn 860 lần đối với môi trường nước ngọt và 6700 lần đối với môi trường nước biển so với môi trường nước không bị ô nhiễm. Kẽm gây độc đối với trong tảo ở nồng độ rất thấp khoảng 1-4 µg/L [8]. Các muối kẽm hòa tan đều độc.
Khi ngộ độc kẽm sẽ cảm thấy miệng có vị kim loại, đau bụng, mạch chậm, co giật,. Quy chuẩn Việt Nam về hàm lượng Cu(II) và Zn(II) trong nước thải Bảng 1. Quy chuẩn Việt Nam về hàm lượng Cu(II) và Zn(II) trong nước thải [11] Giá trị nồng độ STT Thông số Đơn vị A B 1 Đồng mg/L 2 2 2 Kẽm mg/L 3 3 Với cột A quy định giá trị nồng độ của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước được dung cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Với cột B quy định giá trị nồng độ của các thông số trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
Một số phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước 1. Phương pháp kết tủa Đây là một kỹ thuật hiệu quả để loại bỏ các kim loại nặng trong nước thải bằng cách thêm các chất phản ứng vào để tách kim loại nặng dưới dạng các chất không tan.