Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Thực trạng ô nhiễm kim loại 1. Thực trạng ô nhiễm hiện nay Ô nhiễm kim loại nặng là mối đe dọa đáng kể đối với môi trường nước, đặc biệt là ở những khu công nghiệp. Sự ô nhiễm kim loại nặng diễn ra ngày càng nhiều, khắp nơi trên thế giới; chủ yếu từ các hoạt động: khai thác mỏ, luyện kim, chế biến kim loại, mạ kẽm, công nghiệp da, sản xuất pin, sản xuất phân bón,v.v… do sự tồn tại của các ion kim loại nặng như: Cu, Pb, Ni, Cd, Hg, As, v.v… trong số đó, ion Cu2+ là ion điển hình và tồn tại hầu hết ở các loại nước thải.
Trong những thập kỷ gần đây, sự ô nhiễm Cu2+ trong môi trường nước diễn ra ngày càng nhiều không chỉ ở Việt Nam mà còn ở khắp nơi trên thế giới. Thực trạng ô nhiễm kim loại nặng ở nước ngoài: Năm 2019, Andi Kurniawan và cộng sự đã tiến hành xác định hàm lượng Cu2+ và Pb2+ tại sông Cokro của thành phố Malang, Indoneisa. Kết quả thực nghiệm cho thấy, hàm lượng của những ion kim loại nặng này đều vượt ngưỡng cho phép và tác động xấu đến hệ sinh thái nước ở sông Cokro. Sự có mặt của những ion này là do nước thải công nghiệp gây ra [14].
Cũng trong năm 2019, Lei Gui, Shu-Chuan Peng và cộng sự đã thu thập mẫu trầm tích và mẫu nước từ hồ Chaohu, miền Đông Trung Quốc. Kết quả phân tích cho thấy, nguồn nước tại hồ này đã bị ô nhiễm kim loại nặng (trong đó có ion Cu2+) và có sự tích tụ ion Cu2+ trong các mẫu trầm tích. Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng sự ô nhiễm Cu2+ liên quan đến nước thải đô thị và nước thải từ các khu công nghiệp [26]. Năm 2020, Amyrah Auni Keirudin và cộng sự cũng đã nghiên cứu về sự ô nhiễm kim loại Cu2+, Pb2+, Ni2+, Zn2+ tại Malaysia – một nước đang phát triển.
Sự ô nhiễm các kim loại nặng với nồng độ cao trong nước bắt nguồn chủ yếu từ các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp [13]. Năm 2021, Saurabh Mishra, Amit Kumar và cộng sự đã nghiên cứu hàm lượng các kim loại Fe, Cu, Zn và Cr tại khu vực sông Hindon, Ấn Độ. Kết quả phân tích cho thấy, hàm lượng của các ion Cu và Fe vượt ngưỡng cho phép và là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm nghiêm trọng tại sông Hindon. Nghiên cứu còn chỉ ra sự ô nhiễm nước trầm 15 4 trọng tại khu vực này là do phải tiếp nhận nước thải công nghiệp có nồng độ cao, ở mức độc hại [33].
Thực trạng ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam: Trên địa bàn tỉnh Hà Nội, ngành công nghiệp chủ yếu tập trung vào lĩnh vực gia công kim loại, chế tạo máy móc, mạ. Theo số liệu thống kê, các cơ sở mạ của công ty xe đạp Liveha, kim khí Cầu Bươu, công ty khóa Minh Khai hàng ngày thải ra môi trường nhiều kim loại nặng trong đó có đồng [4]. Tại huyện Tân Trạch, Long An hàm lượng kim loại nặng trong nước đã ở mức gây độc đối với vật nuôi. Cụ thể: Hàm lượng Cd từ 2-8mg/L, gấp 40-60 lần tiêu chuẩn cho phép; Pb: 0,7 - 2,7mg/L, gấp 7 - 27 lần; Zn: 32 - 197mg/L, gấp 1,3 - 8,2 lần; Cu: 11,24 - 97,5mg/L, gấp 23 – 195 lần.
Từ số liệu, có thể thấy hàm lượng đồng trong nước rất cao và nguyên nhân chủ yếu gây ra sự ô nhiễm trên là do chất thải của cơ sở sản xuất công nghiệp [4]. Hàm lượng các kim loại nặng trong trầm tích của kênh Nhiêu Lộc tại địa điểm cầu Ông Tá đã được xác định, trong đó hàm lượng đồng được xác định là 1090 mg/L [4]. Có thể thấy rằng, mức độ ô nhiễm đồng trong nước do tác động của các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp nặng ngày càng trầm trọng. Đây là vấn đề cấp thiết, một thách thức lớn đối với các nhà khoa học trong nước và trên thế giới để có thể đảm bảo vừa phát triển kinh tế, vừa bảo vệ môi trường.
Chính vì vậy, rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học về các phương pháp nhằm xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước đã được thực nghiệm. Độc tính của đồng Đồng là một nguyên tố vi lượng và không thể thiếu trong đời sống của các sinh vật tồn tại trên Trái Đất. Đối với con người, nguyên tố này thể hiện nhiều chức năng sinh lý quan trọng, tham gia vào thành phần cấu tạo của nhiều loại enzime, tổng hợp hoocmon,v.v… Đối với thực vật, đồng là một nguyên tố không thể thiếu trong quá trình tổng hợp enzime – “cơ sở của sự sống”; ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng và phát triển của thực vật; đồng thời, đồng còn có vai trò kháng khuẩn, chống các loại nấm mốc và tăng khả năng thích ứng, chống chịu cho các loài thực vật. Bên cạnh những vai trò quan trọng trong đời sống con người và thực vật, nguyên tố này cũng có một số độc tính nếu liều lượng vượt mức cho phép: 16 5 Theo tiêu chuẩn RDA của Mỹ về hàm lượng đồng cho phép tiếp xúc trong cơ thể người trưởng thành khỏe mạnh là 0,9 mg/ngày, khi vượt quá hàm lượng trên sẽ gây ra sự rối loạn dạ dày, bệnh về gan, thận, phổi, bệnh Wilson – một bệnh lý sinh ra do đồng bị giữ lại trong cơ thể mà không tiết ra bởi gan vào trong mật.
Theo DRI, mức cao nhất có thể chịu được về đồng tồn tại trong khẩu phần ăn uống với người trưởng thành theo mọi nguồn là 10 mg/ngày [19]. Sự tồn tại đồng trong nước nếu vượt quá 1 g/L sẽ khiến thực vật bị ô nhiễm, nhiễm độc còn đối với các loài thủy sinh (cá, ốc, v.) phải đến 3g/L thì mới gây ngộ độc cho những loại thủy sinh. Có thể thấy, thực vật mẫn cảm với đồng hơn động vật[15]. Như vậy, độc tính của đồng gây ra khá nhiều ảnh hưởng tiêu cực, không chỉ đối với con người mà còn đối với các loài sinh – thực vật, đặc biệt là các loài thủy sinh.
Việc loại bỏ Cu(II) ra khỏi nước là một việc làm mang tính cấp bách, không chỉ đóng góp vào hiệu quả kinh tế mà còn đóng góp vào hiệu quả xã hội. Các biện pháp xử lý kim loại nặng trong nước Có nhiều phương pháp được áp dụng để xử lý kim loại nặng trong nước như phương pháp oxi hóa, phương pháp trao đổi ion, phương pháp keo tụ, v.v… Trong các phương pháp dùng để xử lý kim loại nặng, hấp phụ hiện đang là phương pháp được đánh giá cao do tính hiệu quả và kinh tế. Dưới đây là một số phương pháp: Phương pháp oxi hóa [6,8,9] Để làm sạch nguồn nước có chứa các chất độc hại bằng cách sử dụng phương pháp này, có thể sử dụng các chất oxi hóa như clo ở dạng khí và hóa lỏng, clorat canxi, dioxyt clo, hypoclorit natri và canxi, pemanganat kali, peroxythydro, oxy của không khí, v. Trong quá trình oxi hóa, các chất độc hại trong nước thải được chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước.
Việc sử dụng phương pháp này sẽ giúp tối ưu về không gian xử lý nước thải bởi cần không gian nhỏ, nguyên liệu dễ mua, dễ thực hiện, dễ quản lý. Tuy nhiên, chi phí xử lý hóa chất có giá thành cao, thải ra môi trường một số chất ô nhiễm thứ cấp thông qua các phản ứng hóa học. Phương pháp trao đổi ion [6,8,9] Quá trình trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ một lượng nhỏ các ion hòa tan được giữ lại trong nước thải. Chất trao đổi ion có thể là khoáng vô cơ, các loại vỏ sò, nhựa trao đổi ion, v.v… Chẳng hạn đối với nước thải của nhà máy mạ kim loại, có thể sử dụng nhựa trao đổi cation để hấp phụ và loại bỏ các ion kim loại trong nước như Cu(II), 17 6 Pb(II), v.v… và dùng nhựa trao đổi anion để loại bỏ các ion Cl-, SO42-,v.
Sau đó nhựa bão hòa các chất sẽ được tái tạo lại bằng phương pháp tách rửa (tùy loại nhựa có thể rửa bằng dung dịch HCl hoặc dung dịch NaOH). Về mặt kỹ thuật, hầu hết các kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion. Việc sử dụng phương pháp này có thể xử lý các đối tượng một cách triệt để, nhựa ion có thời gian sử dụng lâu dài và tái sinh nhiều lần, chi phí thấp. Việc áp dụng phương pháp này để xử lý kim loại nặng thường tốn nhiều thời gian, quy trình thực nghiệm phức tạp, hiệu quả phương pháp không cao.
Phương pháp keo tụ [6,8,9] Hầu hết các phương pháp xử lý kim loại nặng đều liên quan đến quá trình kết tủa, đồng kết tủa và lọc thông qua sử dụng muối kim loại hoặc làm mềm nước bằng vôi. Muối kim loại thường sử dụng trong phương pháp này là muối nhôm và muối sắt clorua hoặc sunfat. Trong quá trình keo tụ và lắng/lọc, đồng được loại bỏ thông qua ba cơ chế: kết tủa, cộng kết, hấp phụ. Phương pháp này đơn giản, hiệu quả xử lý chất rắn lơ lửng cao nhưng một số loại hóa chất dùng keo tụ cần phải hiệu chỉnh pH sau khi thêm cũng như dùng một số phụ gia nên đã làm tăng chi phí.
Phương pháp hấp phụ [6,8,9] Phương pháp hấp phụ có những đặc điểm nổi bật hơn những phương pháp xử lí nước thải khác ở chỗ chi phí không cao, qui trình dễ thực hiện, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp, vật liệu hấp phụ dễ kiếm có nguồn gốc sinh học và có thể tái sử dụng các vật liệu hấp phụ do độ bền khá cao, giá thành thấp, hiệu quả cao. Trong đề tài nghiên cứu này, chúng em sử dụng phương pháp hấp phụ với vật liệu hấp phụ là lá thông ba lá Pinus Kesiya để hấp phụ ion kim loại nặng Cu2+ trong dung dịch nước. Giới thiệu phương pháp hấp phụ 1. Các khái niệm Hấp phụ Hấp phụ là quá trình tích lũy các chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn – khí, rắn – lỏng, khí – lỏng, lỏng – lỏng), đây là một quá trình tỏa nhiệt.
Trong đó: Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. 18 7 Chất bị hấp phụ là chất tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ, chất này hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Pha mang là hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ. Giải hấp phụ Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ tách ra khỏi bề mặt chất hấp phụ.