MỞ ĐẦU Sự phát triển khoa học kĩ thuật và công nghệ đã làm cho đời sống của con ngƣời ngày càng đƣợc nâng cao. Tuy nhiên, sự phát triển đó có thể gây ra tình trạng ô nhiễm môi trƣờng, nhất là môi trƣờng nƣớc [6]. Một trong số các chất gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trƣờng nƣớc phải kể đến là các kim loại nặng. Các kim loại nặng không chỉ gây ô nhiễm môi trƣờng mà còn gây ảnh hƣởng xấu tới sức khoẻ con ngƣời, liên quan trực tiếp đến sự biến đổi của gan, thận, gây ung thƣ và nhiều căn bệnh khác dù chỉ ở hàm lƣợng nhỏ.
Kim loại nặng gây ảnh hƣởng xấu tới thành phần sinh học và các thành phần khác của môi trƣờng nƣớc [41]. Các ion kim loại nặng độc hại độc hại đƣợc thải ra nguồn nƣớc từ nhiều hoạt động sống và sản xuất của con ngƣời nhƣ Pb2+, Cu2+, Cd2+, …[6]. Việc nghiên cứu và xử lý các ion kim loại nặng trong nƣớc có vai trò quan trọng trong bảo vệ sức khoẻ con ngƣời. Do đó nghiên cứu nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng đã và đang thu hút đƣợc sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc.
Các ion kim loại nặng trong nguồn nƣớc có thể xử lý bằng một số phƣơng pháp nhƣ hấp phụ, phƣơng pháp trao đổi ion, phƣơng pháp keo tụ … [36],[ 41]. Trong số các phƣơng pháp xử lý ion kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc, hấp phụ sử dụng vật liệu rẻ tiền hay từ các nguồn thải công nghiệp là một trong số những phƣơng pháp khá phổ biến và có nhiều ƣu điểm đối với các nƣớc đang phát triển. Nhôm oxit (Al2O3) là một chất hấp phụ quan trọng và đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi trong công nghiệp hoá học, môi trƣờng. Nhôm oxit có thể dễ dàng điều chế từ hóa 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chất tinh khiết hay các nguồn khoáng sét tự nhiên.
Quá trình biến tính Al2O3 bằng chất hoạt động bề mặt mang điện đã làm thay đổi nhiều đặc tính bề mặt của Al2O3 và rất có triển vọng để xử lý các ion kim loại nặng độc hại [51],[ 52]. Thực tế cho thấy để có thể sử dụng Al2O3 biến tính bằng chất hoạt động bề mặt để xử lý ô nhiễm kim loại nặng hay phát triển thành pha tĩnh cho kĩ thuật chiết pha rắn làm giàu và xác định kim loại nặng trong nguồn nƣớc cần mang vật liệu lên cột nhồi. Vì vậy, nghiên cứu khả năng vận chuyển các ion kim loại nặng trên cột nhồi vật liệu hấp phụ rất quan trọng. Nghiên cứu các đặc tính hấp phụ và vận chuyển ion kim loại nặng (Pb2+ và Cd2+) trên vật liệu nhôm oxit biến tính bằng chất hoạt động bề mặt từ đó ứng dụng vào kĩ thuật chiết pha rắn làm giàu và xách định ion Pb2+ và Cd2+ là một hƣớng nghiên cứu mới, chƣa đƣợc công bố trong và ngoài nƣớc.
Vì vậy, luận văn thực hiện để tài: ― Nghiên cứu đặc tính hấp phụ và vận chuyển ion kim loại nặng trên nhôm oxit biến tính bằng chất hoạt động bề mặt‖. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc 1.1 Khái niệm ô nhiễm môi trƣờng nƣớc Sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc là sự thay đổi thành phần và tính chất của nƣớc gây ảnh hƣởng tiêu cực tới hoạt động sống bình thƣờng của con ngƣời, sinh vật, đến sản xuất công nghiệp, nông nghiệp [2], [4]. Do hoạt động nhân tạo hay tự nhiên (phá rừng, lũ lụt, sói mòn, tồn dƣ các chất thải đô thị, chất thải công nghiệp.) mà thành phần của nƣớc có thể bị thay đổi bởi nhiều chất thải đã phát tán vào môi trƣờng [4]. Có nhiều nguồn gây ô nhiễm nƣớc bao gồm các chất gây ô nhiễm hữu cơ, các chất gây ô nhiêm vô cơ, các vi sinh vật, vi khuẩn và các loại khác [4].
Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam Hiện nay, sau hơn 30 năm đổi mới và đẩy mạnh phát triển kinh tế theo hƣớng công nghiệp hóa - hiện đại hóa cùng với hàng ngàn các khu công nghiệp, cùng rất nhiều các nhà máy, xí nghiệp, các khu sản xuất đƣợc xây dựng trên toàn quốc. Tuy nhiên tình trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc bởi các ion kim loại nặng đang là vấn đề nan giải đối với các nhà quản lý ở Việt Nam. Trong số các kim loại nặng độc hại trong nguồn nƣớc phải kể đến asen (As), cadimi (Cd), chì (Pb), đồng (Cu), mangan (Mn), thủy ngân (Hg),… Các kim loại trên và muối của chúng là những chất độc hại và khá bền hay khó phân hủy sinh học. Tại các lƣu vực sông, ô nhiễm nƣớc xảy ra ở nhiều đoạn, tập trung chủ yếu ở trung lƣu và hạ lƣu (đặc biệt là các đoạn chảy qua khu vực đô thị, khu công nghiệp, làng nghề), nhiều nơi ô nhiễm ở mức nghiêm trọng nhƣ lƣu vực sông Nhuệ- Đáy, sông Cầu, sông Đồng Nai.
Ô nhiễm kim loại nặng mang tính cục bộ, tập trung chủ yếu ở 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com những sông nhánh gần các khu vực khai thác khoáng sản, cơ sở sản xuất công nghiệp [3]. Nghiên cứu ở khu vực Công ty Pin Văn Điển và Công ty Orionel- Hanel miền bắc [12] cho thấy nƣớc thải của hai khu vực này đều có chứa các kim loại nặng đặc thù trong quy trình sản xuất, với hàm lƣợng vƣợt quá TCVN 5945/1995 [22] đối với nƣớc mặt loại B (Pin Văn Điển Hg: vƣợt quá 9,04 lần, Orionel-Hanel: Pb vƣợt 1,12 lần).2 Sơ lƣợc về một số kim loại nặng 1.1 Tính chất hóa- lý của chì Chì (Pb) thuộc nhóm IVA trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Chì có hai trạng thái oxy hóa bền chính là Pb(II) và Pb(IV) và có bốn đồng vị là 204 Pb,206 Pb,207 Pb và 208 Pb. Trong môi trƣờng axit nó tồn tại dƣới dạng ion Pb2+.
Chì có trong tự nhiên dƣới dạng khoáng Sunfua Galen, khoáng Cacbonate Cerussite và Sunfat Anglessite. Trong đất có một lƣợng nhỏ chì, sự hoà tan của chì trong đất tăng lên do quá trình axit hoá trong (đất chua). Chì có khả năng đƣợc tích tụ trong cây trồng trong quá trình sinh trƣởng và do đó đối với cây lƣơng thực bị nhiễm chì có thể dẫn đến sự ngộ độc do chì. Ở điều kiện thƣờng, chì bị oxi hóa tạo thành lớp oxit màu xám xanh bao bọc trên bề mặt bảo vệ cho chì không tiếp tục bị oxi hóa nữa.
Do thế oxi hóa khử tiêu chuẩn E0 (Pb2+/Pb) = - 0,126 V nên về nguyên tắc chì tan đƣợc trong HCl loãng và H2SO4 dƣới 80% nhƣng thực tế chì chỉ tƣơng tác trên bề mặt với dung dịch axit HCl loãng và axit H2SO4 dƣới 80% vì bị bao bọc bởi lớp muối khó tan (PbCl2 và PbSO4). Với dung dịch đậm đặc hơn của các axit đó thì chì có khả năng tạo phức tan [13],[ 20].1) PbSO4 + H2SO4→ Pb(HSO4)2 (1.2) 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chì tác dụng với HNO3 ở bất kì nồng độ nào, ví dụ phản ứng với dung dịch HNO3 loãng. 3Pb + 8HNO3 loãng → 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O (1.2 Một số ứng dụng của chì Chì đƣợc sử dụng trong pin, trong bình ăcqui, trong một số dụng cụ dẫn điện. Một số hợp chất chì đƣợc thêm vào trong sơn, thủy tinh, đồ gốm nhƣ chất tạo màu, chất ổn định, chất kết gắn.
Các chất thải từ ứng dụng của sản phẩm chì nếu không đƣợc tái chế hợp lý sẽ đƣa vào môi trƣờng làm gia tăng lƣợng kim loại độc hại này trong môi trƣờng. Ngoài ra, một số hợp chất chì hữu cơ nhƣ tetraetyl hoặc tetrametyl chì đƣợc thêm vào trong xăng ở những quốc gia đang phát triển [1].3 Độc tính của chì Chì là nguyên tố có độc tính cao đối với con ngƣời và động vật. Nó xâm nhập vào cơ thể sống chủ yếu qua con đƣờng tiêu hóa, hô hấp,… Tác động đến tủy xƣơng và quá trình hình thành huyết cầu tố, nó thay thế canxi trong xƣơng. Đặc điểm nổi bật của chì là sau khi xâm nhập vào cơ thể sống nó ít bị đào thải mà tích tụ theo thời gian [1].
Khả năng loại bỏ chì ra khỏi cơ thể rất chậm, chủ yếu qua nƣớc tiểu. Chu kì bán rã của chì trong máu khoảng một tháng, trong xƣơng từ 20- 30 năm [35]. Sau khi chì xâm nhập vào cơ thể ngƣời qua đƣờng nƣớc uống nó tích tụ lại rồi đến một mức độ nào đó mới gây độc. Khi nồng độ chì trong nƣớc uống là 0,042 - 1,000 mg/l sẽ xuất hiện triệu chứng bị ngộ độc kinh niên ở ngƣời.
Các hợp chất hữu cơ chứa chì có độc tính cao gấp hàng trăm lần so với các hợp chất vô cơ. Nhiễm độc chì,sẽ gây ra nhiều bệnh nhƣ: Giảm trí thông minh; các bệnh về máu, thận, tiêu hóa, ung thƣ,… Sự nhiễm độc chì cấp tính có thể dẫn đến tử vong [1],[ 23].1 Tính chất hóa- lý của Cadimi Trong vỏ trái đất cadimi thƣờng tồn tại dƣới dạng khoáng vật nhƣ Grinolit (CdS), trong quặng Blende kẽm và Calanin có chứa khoảng 3% Cd. Cadimi nguồn gốc 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tự nhiên là hỗn hợp của 6 đồng vị ổn định, trong đó có đồng vị 112Cd (24,07%) và 114 Cd (28,86%) chiếm tỉ lệ cao [20]. Cadimi dạng nguyên chất có màu trắng bạc nhƣng trong không khí ẩm bị bao phủ bởi lớp màng oxit nên mất ánh kim, cadimi mềm, dễ nóng chảy, dẻo, có thể dát mỏng, kéo sợi đƣợc.
Khi cháy, cadimi cho ngọn lửa màu xẫm. Cadimi là nguyên tố tƣơng đối hoạt động. Trong không khí ẩm cadimi bền ở nhiệt độ thƣờng do có màng oxit bảo vệ. Cadimi tác dụng với phi kim: Halogen, lƣu huỳnh và các nguyên tố không kim loại khác nhƣ P, Se…[20],[ 26].
Do thế điện cực khá âm nên cadimi dễ dàng tác dụng với cả axit không có tính oxi hóa: Cd + 2H+ → Cd2+ + H2↑ (1.4) Cd + 4H+ + 2NO3 → Cd2+ + 2NO2↑+ 2H2O (1.2 Một số ứng dụng Cadimi Các ứng dụng chủ yếu của cadimi trong trong công nghiệp nhƣ: lớp mạ bảo vệ thép, chất ổn định trong PVC, chất tạo màu trong nhựa và thủy tinh, và trong hợp phần của nhiều hợp kim là một trong những nguyên nhân giải phóng cadimi vào môi trƣờng [1]. Hàm lƣợng của cadimi trong phân lân biến động khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc của đá phosphate. Phân lân có nguồn gốc từ đá phốt phát Bắc Carolina chứa Cd 0,054 g/kg, phân lân có nguồn gốc từ đá Sechura chứa hàm lƣợng Cd 0,012 g/kg, trong khi đó phân lân có nguồn gốc từ đá phosphate Gafsa chứa 0,07 g/kg [1].