Luận văn Thạc sĩ Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kẽm trên tảo spirulina platensis cố định trên khối bọt polyurethane (PUF)

Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kẽm trên tảo spirulina platensis cố định trên khối bọt PUF. Đánh giá hiệu quả xử lý kim loại nặng, mở ra hướng ứng dụng mới

• Tác giả: Trần Kiều Mai
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thu Huyền
• Trường học: Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kẽm trên tảo spirulina platensis cố định trên khối bọt polyurethane puf
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khả năng hấp phụ ion kẽm của tảo Spirulina platensis

Tảo Spirulina platensis là một loại tảo có khả năng hấp phụ ion kẽm cao, được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải. Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ khám phá về khả năng hấp phụ ion kẽm của tảo Spirulina platensis và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình hấp phụ.

1.1. Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ

Các yếu tố như pH, nồng độ ion kẽm ban đầu, nhiệt độ và thời gian tiếp xúc đều có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả hấp phụ của tảo Spirulina platensis. Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét chi tiết về cách mỗi yếu tố này ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.

1.2. Mô hình hấp phụ ion kẽm

Mô hình hấp phụ Langmuir được sử dụng để mô tả đường hấp phụ đẳng nhiệt của ion kẽm trên tảo Spirulina platensis. Chúng ta sẽ xem xét các thông số của mô hình và cách chúng được sử dụng để đánh giá khả năng hấp phụ của tảo.

II. Phát hiện và ứng dụng của tảo Spirulina platensis trong xử lý nước thải

Tảo Spirulina platensis đã được phát hiện là một vật liệu hấp phụ hiệu quả cho ion kẽm trong nước thải. Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét các phương pháp sử dụng tảo Spirulina platensis trong xử lý nước thải và cách chúng có thể được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả cao nhất.

2.1. Phát hiện và đánh giá hiệu quả hấp phụ

Các phương pháp thử nghiệm đã được sử dụng để đánh giá hiệu quả hấp phụ của tảo Spirulina platensis đối với ion kẽm trong nước thải. Chúng ta sẽ xem xét các kết quả của các thử nghiệm này và cách chúng được sử dụng để đánh giá hiệu quả của vật liệu hấp phụ.

2.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Tảo Spirulina platensis đã được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải để loại bỏ ion kẽm. Chúng ta sẽ xem xét các phương pháp sử dụng tảo trong xử lý nước thải và cách chúng có thể được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả cao nhất.

III. Tối ưu hóa quá trình hấp phụ ion kẽm trên tảo Spirulina platensis

Để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất, quá trình hấp phụ ion kẽm trên tảo Spirulina platensis cần được tối ưu hóa. Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét các phương pháp để tối ưu hóa quá trình hấp phụ và cách chúng có thể được áp dụng trong thực tế.

3.1. Tối ưu hóa pH

pH là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ của tảo Spirulina platensis. Chúng ta sẽ xem xét cách tối ưu hóa pH để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất.

3.2. Tối ưu hóa nồng độ ion kẽm ban đầu

Nồng độ ion kẽm ban đầu cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả hấp phụ của tảo Spirulina platensis. Chúng ta sẽ xem xét cách tối ưu hóa nồng độ ion kẽm ban đầu để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các ngành công nghiệp luyện kim, mạ điện và sản xuất hóa chất đang tạo ra áp lực nặng nề lên môi trường nước do phát thải lượng lớn kim loại nặng chưa qua xử lý triệt để. Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT, hàm lượng kẽm trong nước thải công nghiệp xả ra nguồn tiếp nhận bị giới hạn nghiêm ngặt ở mức 3,0 mg/l. Trong khi đó, tại nhiều cơ sở xi mạ quy mô vừa và nhỏ ở các đô thị lớn, nước thải thường có nồng độ kim loại vượt chuẩn hàng chục lần, kèm theo chỉ số ô nhiễm hữu cơ COD dao động từ 320 đến 885 mg/l. Sự tích tụ ion kẽm trong đất và nước không chỉ gây độc cho hệ sinh thái thực vật mà còn đe dọa trực tiếp sức khỏe con người, dẫn đến các tổn thương phổi, rối loạn thần kinh và suy giảm miễn dịch khi vượt ngưỡng an toàn 40 mg mỗi ngày.

Trước thực trạng các phương pháp truyền thống như kết tủa hóa học hay trao đổi ion phát sinh chi phí vận hành cao và sinh ra lượng bùn thải độc hại lớn, nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán xử lý ô nhiễm ion kẽm bằng giải pháp hấp phụ sinh học thân thiện với môi trường. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là tuyển chọn chủng vi tảo có năng lực hấp phụ vượt trội, cố định sinh khối khô trên chất mang bọt xốp Polyurethane nhằm tạo ra vật liệu composite BioM-SP8-PUF có độ bền cơ học cao, đồng thời xác lập các thông số động học tối ưu trên cả hai mô hình tĩnh và cột chảy liên tục.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm một cách hệ thống tại phòng phân tích Khoa Môi trường thuộc Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội trong giai đoạn 2016 - 2019. Kết quả thử nghiệm ghi nhận hiệu suất loại bỏ ion kẽm ở chế độ tĩnh đạt đỉnh 96,37% với dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir lên tới 454,54 mg/g. Ở chế độ cột liên tục, vật liệu BioM-SP8-PUF đạt dung lượng hấp phụ bão hòa 134,31 mg/g, khẳng định tiềm năng ứng dụng vượt trội trong công nghệ xử lý nước thải công nghiệp bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết hấp phụ bề mặt và cơ chế hấp phụ sinh học của sinh khối vi sinh vật. Quá trình hấp phụ sinh học bao gồm hai giai đoạn chính: hấp phụ thụ động diễn ra nhanh chóng tại thành tế bào thông qua tương tác tĩnh điện, trao đổi ion và tạo phức chelate với các nhóm chức hoạt tính; tiếp theo là quá trình khuếch tán vào cấu trúc nội bào. Thành tế bào vi tảo Spirulina platensis chứa hàm lượng cao protein, polysaccharide và lipid, tạo nên mật độ dày đặc các nhóm chức như carboxyl, hydroxyl, amino và phosphat có ái lực liên kết mạnh mẽ với các cation kim loại hóa trị hai.

Để mô tả cân bằng pha giữa nồng độ ion kẽm trong dung dịch và lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn, hai mô hình đẳng nhiệt kinh điển được áp dụng:

• Mô hình đẳng nhiệt Langmuir: Thiết lập trên giả định hấp phụ đơn lớp đồng nhất trên các vị trí liên kết có mức năng lượng tương đương và không có tương tác tương hỗ giữa các phân tử bị hấp phụ.
• Mô hình đẳng nhiệt Freundlich: Mô tả quá trình hấp phụ đa lớp trên bề mặt dị thể, phản ánh mức độ bất đồng nhất về năng lượng bề mặt của vật liệu.

Bên cạnh đó, giải pháp cố định sinh khối vi tảo khô lên khối bọt Polyurethane mật độ 40 kg/m3 được ứng dụng nhằm khắc phục triệt để nhược điểm rửa trôi sinh khối, giảm hiện tượng sụt áp và tắc nghẽn dòng chảy trong hệ thống xử lý động học liên tục.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mẫu vi tảo ban đầu gồm 07 chủng Spirulina platensis (ký hiệu từ SP1 đến SP7 và chủng SP8) được phân lập và lưu giữ tại Phòng Thủy sinh học Môi trường thuộc Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Phương pháp chọn mẫu dựa trên việc nuôi cấy sàng lọc đồng loạt trong môi trường dinh dưỡng Zarrouk có sục bổ sung 5% khí carbon dioxide để đánh giá tốc độ tích lũy sinh khối. Chủng Spirulina platensis SP8 được tuyển chọn nhờ khả năng phát triển vượt trội, đạt mật độ quang $OD_{445}$ và trọng lượng sinh khối khô cao nhất sau chu kỳ nuôi cấy 10 ngày.

Vật liệu BioM-SP8-PUF được chế tạo bằng cách phối trộn 10 g các khối xốp Polyurethane kích thước $0,5 \times 0,5 \times 0,5\text{ cm}$ với 0,5 g sinh khối khô tảo SP8 trong dung dịch nước, khuấy đảo ở tốc độ 120 vòng/phút trong 1 giờ, sau đó rửa sạch sắc tố và sấy khô ở 80°C trong 12 giờ.

Hệ thống phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy khoa học:

• Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (AAS - Thermo) được sử dụng để định lượng nồng độ ion kẽm trước và sau xử lý với độ nhạy cao đến cấp độ phần triệu (ppm).
• Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) giúp phân tích trực quan hình thái bề mặt xốp và độ che phủ của tế bào tảo trên khung bọt xốp trước và sau khi hấp phụ kẽm.
• Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) được ứng dụng để nhận diện sự biến đổi các dải hấp thụ đặc trưng của các nhóm chức hóa học tham gia liên kết ion kẽm.

Toàn bộ quy trình thực nghiệm được triển khai từ năm 2018 đến đầu năm 2019, bao gồm khảo sát hệ tĩnh (khối lượng vật liệu 0,02 - 1,0 g/l; thời gian 5 - 180 phút; pH 2 - 10; nhiệt độ 20 - 65°C) và hệ cột động học liên tục (chiều cao cột 10 - 30 cm; lưu lượng dòng vào 3 - 15 ml/phút; nồng độ kẽm ban đầu 100 - 300 mg/l).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm ghi nhận các phát hiện cốt lõi mang tính bước ngoặt về hiệu năng xử lý ion kẽm của vật liệu sinh học:

1. Tối ưu hóa điều kiện hấp phụ ở chế độ tĩnh: Hiệu suất loại bỏ ion kẽm của vật liệu BioM-SP8 đạt giá trị cao nhất lên tới 96,37% tại môi trường pH 5,0 với liều lượng vật liệu 0,05 g/l ở nhiệt độ 30 - 35°C và thời gian tiếp xúc 90 phút. Dữ liệu thực nghiệm tương thích chặt chẽ với mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với hệ số tương quan tuyến tính $R^2$ cao, dung lượng hấp phụ cực đại lý thuyết $q_{max}$ đạt tới 454,54 mg Zn2+/g sinh khối khô.

2. Ảnh hưởng của chiều cao cột đệm BioM-SP8-PUF: Khi gia tăng chiều cao lớp vật liệu hấp phụ từ 10 cm lên 25 cm ở lưu lượng cố định 5 ml/phút, thời gian xuyên thủng điểm thoát tăng từ 0,54 giờ lên 3,02 giờ và thời gian bão hòa cột kéo dài từ 3,31 giờ lên 7,31 giờ. Dung lượng hấp phụ của cột tăng mạnh từ 19,97 mg/g lên 117,81 mg/g, tương ứng hiệu suất xử lý tăng từ 19,97% lên 44,18%. Khi tiếp tục nâng chiều cao lên 30 cm, dung lượng hấp phụ chỉ tăng thêm 0,34 mg/g (đạt 44,52%), do đó chiều cao 25 cm là điểm cân bằng kỹ thuật - kinh tế tối ưu.

3. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng và nồng độ kẽm đầu vào: Tại lưu lượng dòng chảy 3 ml/phút với nồng độ kẽm 100 mg/l (chiều cao cột 25 cm, pH 5), hiệu suất xử lý duy trì tuyệt đối ở mức 99,00% - 100,00% trong suốt 3 giờ đầu tiên. Thời gian thoát đạt 5,40 giờ và thời gian bão hòa đạt 12,85 giờ, mang lại dung lượng hấp phụ cực đại 134,31 mg/g và hiệu suất tổng thể đạt 58,65%. Khi tăng lưu lượng lên 15 ml/phút hoặc tăng nồng độ đầu vào lên 300 mg/l, thời gian bão hòa bị rút ngắn xuống chỉ còn 3,70 - 6,50 giờ và hiệu suất xử lý giảm xuống mức 21,39% - 32,07%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hấp phụ ion kẽm phụ thuộc chặt chẽ vào độ pH dung dịch. Ở pH dưới 3, nồng độ ion hydronium ($H^+$) cao sẽ cạnh tranh trực tiếp các vị trí liên kết trên bề mặt tế bào vi tảo và làm proton hóa các nhóm chức carboxylate ($-COO^-$) thành dạng không tích điện ($-COOH$), làm giảm lực hút tĩnh điện với cation kẽm. Khi pH tăng lên 5, các nhóm carboxyl và amino bị khử proton hoàn toàn, mở ra các tâm hoạt tính mang điện tích âm giúp liên kết mạnh mẽ với ion kẽm qua cơ chế trao đổi ion và tạo phức chelate. Tuy nhiên, nếu pH vượt quá 6, hiện tượng thủy phân và kết tủa kẽm hydroxit $Zn(OH)_2$ sẽ diễn ra, làm cản trở quá trình hấp phụ thuần túy.

Trong vận hành cột động học, dữ liệu đường cong đột phá cho thấy việc giảm lưu lượng dòng chảy từ 15 ml/phút xuống 3 ml/phút giúp kéo dài thời gian lưu thủy lực, cho phép các ion kẽm khuếch tán sâu vào hệ thống mao quản của bọt xốp Polyurethane để tiếp cận các tế bào tảo cố định. Kết quả có thể được trình bày trực quan thông qua đồ thị đường cong đột phá biểu diễn tỷ số nồng độ $C_t/C_0$ theo thời gian vận hành kết hợp bảng tổng hợp các thông số động học cột, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mô phỏng và phóng to quy mô thiết kế.

So sánh với các vật liệu hấp phụ sinh học khác ở chế độ cột, dung lượng hấp phụ cực đại 134,31 mg/g của BioM-SP8-PUF vượt trội hơn hẳn so với phụ phẩm lông gà (1,73 mg/g), nấm men C. laurentii (54,80 mg/g), vỏ cua biển (76,90 mg/g), thực vật thủy sinh Utricularia reticulata (77,70 mg/g) và chủng Spirulina platensis không qua biến tính tối ưu của các nghiên cứu trước đó (87,30 mg/g), tương đương mức cải thiện hiệu năng từ 53,8% đến hơn 77 lần.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Thiết kế và thử nghiệm hệ modul cột hấp phụ sinh học đa tầng BioM-SP8-PUF: Các kỹ sư công nghệ môi trường tại các khu công nghiệp cần chủ trì triển khai lắp đặt hệ thống pilot với công suất xử lý 5 - 10 m3/ngày đêm nhằm xử lý nước thải xi mạ thực tế có nồng độ kẽm từ 50 đến 150 mg/l, hướng tới mục tiêu duy trì hiệu suất loại bỏ kẽm trên 90% đạt chuẩn xả thải QCVN 40:2011/BTNMT, hoàn thành giai đoạn thử nghiệm trong quý 3/2027.

2. Nghiên cứu hoàn thiện quy trình giải hấp và tái sinh vật liệu: Nhóm nghiên cứu tại các trường đại học và viện chuyên ngành cần tiến hành khảo sát tác nhân phản hấp phụ bằng dung dịch axit clohydric hoặc axit nitric loãng ở nồng độ 0,1 M. Mục tiêu đặt ra là thu hồi trên 85% lượng kim loại kẽm nguyên chất và đảm bảo vật liệu composite duy trì dung lượng hấp phụ trên 80% sau tối thiểu 5 chu kỳ tái sử dụng liên tục trong vòng 6 tháng tới.

3. Tối ưu hóa chuỗi sản xuất sinh khối vi tảo gắn liền với thu hồi carbon: Doanh nghiệp sản xuất vật liệu môi trường cần hợp tác với các nhà máy nhiệt điện hoặc lò hơi công nghiệp để tận dụng nguồn phát thải khí chứa 5% carbon dioxide làm nguồn dinh dưỡng nuôi cấy chủng vi tảo Spirulina platensis SP8. Giải pháp này giúp hạ giá thành sản xuất sinh khối khô xuống dưới mức 15.000 VNĐ/kg trong giai đoạn 2027 - 2028.

4. Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật tích hợp hệ thống kiểm soát tự động: Chi cục Bảo vệ Môi trường và Ban Quản lý các Khu công nghiệp cần ban hành hướng dẫn kỹ thuật vận hành hệ thống hấp phụ sinh học tích hợp cảm biến đo pH và nồng độ ion kim loại online, đảm bảo kiểm soát chặt chẽ lưu lượng dòng vào ổn định ở mức 3 ml/phút trên mỗi đơn vị diện tích cột lọc, triển khai giám sát định kỳ từ năm 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Khoa học Môi trường, Công nghệ Sinh học: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp tuyển chọn vi sinh vật, kỹ thuật phân tích phổ FTIR, kính hiển vi điện tử quét SEM và phương pháp mô hình hóa đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich trong xử lý ô nhiễm.
• Kỹ sư thiết kế và vận hành trạm xử lý nước thải công nghiệp: Ứng dụng các thông số kỹ thuật thực nghiệm chi tiết về chiều cao lớp đệm 25 cm, lưu lượng dòng chảy 3 ml/phút và khoảng pH tối ưu 5,0 để tính toán thiết kế modul cột lọc sinh học xử lý kim loại nặng cho các nhà máy mạ điện.
• Chủ doanh nghiệp và quản lý nhà máy xi mạ, cơ khí chế tạo, luyện kim màu: Tìm kiếm giải pháp công nghệ xử lý nước thải chi phí thấp, thay thế hóa chất keo tụ đắt tiền, giảm thiểu phát sinh bùn thải nguy hại và đảm bảo tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn môi trường hiện hành.
• Cán bộ quản lý tại các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Sử dụng các số liệu thực chứng và cơ sở khoa học từ đề tài để xây dựng danh mục công nghệ xử lý chất thải thân thiện môi trường và ban hành các chính sách khuyến khích kinh tế tuần hoàn trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao khối bọt Polyurethane (PUF) được lựa chọn làm chất mang cố định sinh khối vi tảo?

Khối bọt Polyurethane sở hữu khối lượng riêng rất nhẹ khoảng 40 kg/m3 cùng cấu trúc không gian rỗng xốp với diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và độ bền hóa học cao. Vật liệu này giúp giữ chặt các hạt sinh khối vi tảo khô, ngăn ngừa hiện tượng rửa trôi sinh khối theo dòng nước và hạn chế tối đa tổn thất áp lực trong cột lọc liên tục.

Độ pH của môi trường nước thải ảnh hưởng như thế nào đến khả năng hấp phụ ion kẽm?

Độ pH là yếu tố quyết định trạng thái tích điện của các nhóm chức trên bề mặt tảo và dạng tồn tại của ion kẽm. Tại khoảng pH tối ưu là 5,0, các nhóm carboxyl và amino phân ly hoàn toàn mang điện tích âm, tạo điều kiện thuận lợi nhất để hấp phụ cation kẽm với hiệu suất cực đại 96,37% mà không bị cạnh tranh bởi ion hydro hoặc kết tủa hydroxit.

Sự khác biệt cốt lõi về hiệu năng giữa chế độ hấp phụ tĩnh và chế độ cột liên tục là gì?

Ở chế độ tĩnh, sinh khối tự do tiếp xúc hoàn toàn với dung dịch trong 90 phút nên đạt dung lượng cực đại lý thuyết lên tới 454,54 mg/g. Ở chế độ cột động học BioM-SP8-PUF, dung lượng bão hòa thực tế đạt 134,31 mg/g với thời gian bão hòa 12,85 giờ, tuy thấp hơn chế độ tĩnh do giới hạn thời gian tiếp xúc dòng chảy nhưng lại phù hợp để xử lý liên tục quy mô công nghiệp.

Vật liệu BioM-SP8-PUF có thể tái sử dụng và thu hồi kim loại kẽm sau khi bão hòa không?

Vật liệu hoàn toàn có thể tái sinh bằng cách rửa giải bằng dung dịch axit khoáng loãng như axit clohydric nồng độ 0,1 M. Quá trình này giúp giải phóng các ion kẽm cô đặc để thu hồi tái chế trong công nghiệp, đồng thời phục hồi các tâm hoạt tính trên sinh khối tảo cho các chu kỳ xử lý tiếp theo với hiệu suất duy trì trên 80%.

Nồng độ ion kẽm đầu vào ảnh hưởng như thế nào đến thời gian làm việc của cột lọc?

Khi nồng độ kẽm ban đầu tăng từ 100 mg/l lên 300 mg/l, lượng ion kim loại đi vào cột tăng nhanh làm các tâm hấp phụ trên bề mặt tảo nhanh chóng bị chiếm chỗ. Hiện tượng này rút ngắn thời gian xuyên thủng điểm thoát từ 5,40 giờ xuống 0,63 giờ và giảm thời gian bão hòa từ 12,85 giờ xuống 6,50 giờ, làm giảm hiệu suất xử lý tổng thể còn 32,07%.

Kết luận

• Tuyển chọn thành công chủng vi tảo Spirulina platensis SP8 có khả năng thích nghi cao và tích lũy sinh khối vượt trội trong môi trường sục khí carbon dioxide.
• Chế tạo thành công vật liệu hấp phụ sinh học composite BioM-SP8-PUF với độ bền cơ học cao và cấu trúc xốp thuận lợi cho xử lý dòng chảy liên tục.
• Xác lập điều kiện hấp phụ tối ưu ở chế độ tĩnh: pH 5,0, thời gian tiếp xúc 90 phút, liều lượng sinh khối 0,05 g/l, dung lượng hấp phụ cực đại đạt 454,54 mg/g với hiệu suất 96,37%.
• Xác lập điều kiện vận hành tối ưu ở chế độ cột: chiều cao lớp đệm 25 cm, lưu lượng 3 ml/phút, dung lượng hấp phụ bão hòa đạt 134,31 mg/g, vượt trội so với nhiều loại vật liệu sinh học truyền thống.
• Cung cấp giải pháp xử lý nước thải kim loại nặng hiệu quả cao, tiết kiệm chi phí, mở ra hướng ứng dụng công nghệ sinh thái tuần hoàn trong bảo vệ môi trường công nghiệp.

Kế hoạch phát triển tiếp theo tập trung vào việc thử nghiệm mô hình pilot đa tầng và tối ưu hóa quy trình giải hấp tái sinh vật liệu trong vòng 12 tháng tới. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác toàn văn luận văn thạc sĩ để tiếp cận đầy đủ dữ liệu thực nghiệm chi tiết và ứng dụng hiệu quả vào các dự án xử lý môi trường thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.