MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế, xã hội thì các vấn đề về môi trường cũng được quan tâm rất nhiều. Bảo vệ môi trường là một chiến lược có tầm quan trọng đặc biệt, là bộ phận cấu thành không thể tách rời của chiến lược phát triển kinh tế - xã hội, là cơ sở quan trọng bảo đảm phát triển bền vững của từng quốc gia, địa phương và khu vực. Phát triển kinh tế phải kết hợp chặt chẽ, hài hòa với phát triển xã hội và bảo vệ môi trường. Song song với sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp là sự gia tăng nhanh hàm lượng kim loại nặng trong các nguồn nước thải nếu như không được xử lý trước khi xả ra môi trường sẽ làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người và hệ sinh thái khu vực.
Vấn đề xử lý kim loại nặng có trong nước thải công nghiệp đã trở thành vấn đề quan trọng đối với các cấp ngành có liên quan để duy trì chất lượng nước, bảo vệ môi trường sống của sinh vật thủy sinh cũng như con người. Hiện nay, có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: Phương pháp hóa học, phương pháp sinh học, phương pháp lý hóa (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion),. Tuy nhiên, các phương pháp này đều có những nhược điểm lớn đó là chi phí đầu tư, vận hành cao, quá trình vận hành đòi hỏi nhân viên phải có chuyên môn sâu để kiểm soát các quá trình xử lý. Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu hướng đến việc sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học để xử lý kim loại nặng trong nước.
Các nghiên cứu bước đầu đã cho thấy sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học có thể tách được đồng thời nhiều kim loại nặng có trong nước, có khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ và có thể thu hồi được kim loại. Đặc biệt, phương pháp này sử dụng nguyên liệu dễ kiếm, chi phí thấp và còn có thể tái sinh, sử dụng lại. Bên cạnh đó, việc sử dụng kết hợp giữa vi tảo với vật liệu mang với mục đích nhằm giảm đến mức thấp nhất các tác động của môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, áp suất,. tăng hiệu quả xử lý cũng được nghiên cứu thử nghiệm để áp dụng ra thực tế.
2 Với mục tiêu làm sạch nguồn nước bảo vệ môi trường, góp phần phát triển bền vững kinh tế - xã hội. Việc tìm ra công nghệ xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng đạt hiệu quả cao và thân thiện với môi trường, giảm chi phí đầu tư, chi phí vận hành là một vấn đề cấp thiết hiện nay. Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn đề tài: ―Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kẽm trên tảo Spirulina platensis cố định trên khối bọt polyurethane (PUF)‖ để nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu một cách có hệ thống, chế tạo VLHP ion Zn2+ bằng tảo Spirulina platensis cố định trên khối bọt polyurethane (PUF).
- Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố (khối lượng tảo, nồng độ Zn2+ đầu vào, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ, pH) lên khả năng hấp phụ ion Zn2+ đối với tảo Spirulina platensis cố định trên khối bọt polyurethane (PUF) trên mô hình tĩnh và mô hình động. Qua đó, tìm ra được các điều kiện tối ưu vận hành mô hình. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp xử lý kẽm trong nước thải. Nội dung 2: Nghiên cứu tuyển chọn chủng Spirulina platensis để sản xuất sinh khối làm vật liệu hấp phụ sinh học.
Nội dung 3: Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ trên VLHP Spirulina platensis SP8 (BioM SP8) trên chế độ tĩnh. Nội dung 4: Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ trên VLHP Spirulina platensis SP8 (BioM SP8) trên chế cột. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về kim loại kẽm 1.
Nguồn gốc và tính chất kim loại kẽm a) Nguồn gốc Kẽm là một nguyên tố kim loại, kí hiệu là Zn và số hiệu hóa học là 30 - là nguyên tố đầu tiên trong nhóm 12 của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Kẽm là nguyên tố cần thiết để duy trì sự sống của con người và động vật. Sự thiếu hụt kẽm để lại những hiệu ứng rõ nét trong việc tăng trọng của động vật. Kẽm tìm thấy trong insulin, các protein chứa kẽm và các enzym như superoxit dismutas Kẽm, trên một số phương diện, có tính chất hóa học giống với magiê, vì ion của chúng có bán kính giống nhau và có trạng thái ôxy hóa duy nhất ở điều kiện bình thường là +2.
Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 24 trong lớp vỏ Trái Đất và có 5 đồng vị bền (64Zn, 66 Zn, 67Zn, 68Zn và 70Zn). Trong đó đồng vị 64 là phổ biến nhất (48,6% trong tự nhiên). Quặng kẽm phổ biến nhất là quặng sphalerit, một loại kẽm sulfua. Kẽm chiếm khoảng 75 ppm (0,0075%) trong vỏ Trái Đất, là nguyên tố phổ biến thứ 24.
Đất chứa 5 - 770 ppm kẽm với giá trị trung bình 64 ppm. Nước biển chỉ chứa 30 ppb kẽm và trong khí quyển chứa 0,1 - 4 µg/m3. Nguyên tố này thường đi cùng với các nguyên tố kim loại thông thường khác như đồng và chì ở dạng quặng. Kẽm là một nguyên tố ưa tạo quặng (chalcophile), nghĩa là nguyên tố có ái lực thấp với oxy và thường liên kết với lưu huỳnh để tạo ra các sulfua.
Các nguyên tố ưa tạo quặng hình thành ở dạng lớp vỏ hóa cứng trong các điều kiện khử của khí quyển Trái Đất. Sphalerit là một dạng kẽm sulfua, và là loại quặng chứa nhiều kẽm nhất với hàm lượng kẽm lên đến 60–62%[1]. b) Tính chất + Tính chất vật lý Kẽm là kim loại có màu lam nhạt, giòn ở nhiệt độ phòng, dẻo ở nhiệt độ 100 - 150oC, giòn trở lại ở nhiệt độ trên 200oC. Zn có khối lượng riêng bằng 7,13 g/cm3, nóng chảy ở 419,5oC, sôi ở 906oC.
Kẽm có thế điện cực chuẩn: Zn đứng sau Mn và trước Cr trong dãy hoạt động hoá học của kim loại. 4 + Tính chất hóa học Kẽm có cấu hình electron là [Ar]3d104s2, có phân lớp 3d bền vững với 10e. Vì vậy, ta thấy Zn có cấu hình tương tự như các nguyên tố nhóm IIA nên Zn cũng dễ dàng cho 2e để tạo ion Zn2+. Zn là kim loại có độ hoạt động trung bình và là chất oxi hóa mạnh.
Tính chất hóa học của kẽm đặc trưng bởi trạng thái oxi hóa +2. Zn là kim loại hoạt động mạnh, có tính khử mạnh. Zn tác dụng được với nhiều phi kim và các dung dịch axit, kiềm, muối. Tuy nhiên, Zn không bị oxi hóa trong không khí, trong nước vì trên bề mặt Zn có một lớp màng mỏng oxit hoăc cacbonat bazơ bảo vệ.2 Ảnh hƣởng của kẽm đến môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời a) Đối với môi trường Một cuộc thăm dò được tiến hành hằng năm ở Anh và xứ Wales về chất thải có chứa kim loại nặng từ phân gia súc cho thấy, mức độ kim loại nặng cao nhất thải ra từ đất nông nghiệp là Kẽm (lên đến 3,3 kg/ha) tại khu vực chăn nuôi lợn vùng Tây Anglia và Humberside.
Lượng kẽm thải ra từ phân vật nuôi gây ô nhiễm môi trường chiếm đến 35% so với các yếu tố gây ô nhiễm kim loại nặng khác. Sự dư thừa kẽm khi kẽm tích tụ quá cao trong đất gây độc đối với cây trồng, gây ra bệnh mất diệp lục. Sự tích tụ kẽm trong cây quá nhiều cũng liên quan đến mức thừa lượng kẽm trong cơ thể người và góp phần tăng sự tích tụ kẽm trong môi trường. Quá trình sản xuất từ quặng kẽm sulfua thải ra một lượng lớn lưu huỳnh đioxit và hơi cadmi.
Xỉ nóng chảy và các chất cặn khác trong quá trình sản xuất cũng chứa một lượng kim loại nặng đang kể. Đất ô nhiễm kẽm từ hoạt động khai thác quặng chứa kẽm, tuyển, hoặc nơi sử dụng bùn chứa kẽm để làm phân, có thể chứa hàm lượng kẽm ở mức vài gam kẽm/kg đất khô. Hàm lượng kẽm trong đất cao hơn 500 ppm ảnh hưởng tới khả năng hấp thụ các kim loại cần thiết khác của thực vật, như sắt và mangan. b) Đối với con người Kẽm được đưa vào cơ thể chủ yếu qua đường tiêu hóa và được hấp phụ phần lớn ở ruột non.
Khi vào cơ thể, phần lớn kẽm tập trung trong tế bào, chỉ một lượng 5 nhỏ trong huyết tương. Sau khi vào cơ thể nó được thải ra ngoài với một lượng lớn qua dịch ruột, dịch tụy (2 - 5 mg), qua nước tiểu (0,5 - 0,8 mg) và mồ hôi (0,5 mg)[1]. Kẽm kim loại không bị coi là độc, nhưng có những tình huống gọi là sự run kẽm hay ớn lạnh kẽm sinh ra do hít phải các dạng bột oxit kẽm nguyên chất, hít phải khói kẽm clorua sẽ bị tổn thương phổi, niêm mạc hô hấp và nếu tiếp xúc lâu có thể gây lở loét các ngón tay, bàn tay. Các muối kẽm gây ói mửa.
Nếu bị ngộ độc kẽm sẽ thấy trong miệng có vị kim loại, mạch chậm, co giật[2]. Hiệp hội Kẽm quốc tế cho rằng nồng độ kẽm cao cũng có thể làm giảm hiệu quả của thuốc kháng sinh và các loại thuốc khác. Ngộ độc do kẽm cũng là ngộ độc do cấp tính, do ăn nhầm phải một lượng lớn kẽm (5 - 10 g ZnSO4 hoặc 3-5 g ZnCl2) có thể gây chết người với triệu chứng như có vị kim loại khó chịu và dai dẳng trong miệng, nôn, tiêu chảy, mồ hôi lạnh, mạch đập khẽ, chết sau 10 đến 48 giây. Thận có khả năng lọc tối đa khoảng 2 g Zn/ngày.
Nếu thừa lượng kẽm lớn có thể gây ung thư, gây ngộ độc hệ thần kinh, ảnh hưởng lên tính nhạy cảm, sinh sản, gây độc hệ miễn dịch. Sự thiếu hụt Zn trong cơ thể có thể gây liệt dương, teo tinh hoàn, mù màu, viêm da, bệnh về gan và một số triệu chứng khác. Các viện y tế quốc gia tư vấn không quá 40 mg kẽm mỗi ngày. Theo ―Báo cáo về kim loại nặng và ảnh hưởng của nó đến con người‖ thì lượng kẽm tiếp nhận tối đa hằng ngày có thể chịu đựng là 1 mg/kg thể trọng.
Để bảo đảm được giới hạn an toàn, chắc chắn giữa nồng độ kẽm có trong khẩu phần ăn hằng ngày với liều lượng kẽm có thể gây ngộ độc do tích lũy trong cơ thể, các nhà nghiên cứu về dinh dưỡng đã đưa ra quy định về giới hạn hàm lượng kẽm trong khẩu phần thức ăn hàng ngày là 5 - 10 ppm. Theo QCVN 40-2011/BTNMT về tiêu chuẩn kẽm trong nước thải công nghiệp là 3 mg/l.