Chương 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về ion kim loại nặng 1. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay, do tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh cùng với sự gia tăng dân số gây ra tình trạng ô nhiễm kim loại nặng vô cùng nghiêm trọng đối với tài nguyên nước của nước ta. Ngoài hai thành phố lớn là thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh còn có các tỉnh như: Bà Rịa - Vũng Tàu, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hà Tĩnh, …là những nơi tập trung nhiều khu sản xuất, chế biến và nhiều khu công nghiệp với mức độ gây ô nhiễm kim loại nặng rất cao.
Nước thải của khu công nghiệp, khu khai thác và chế biến do không có công trình hoặc thiết bị xử lý nước thải nên đổ thẳng vào hồ, sông, suối, kênh, rạch không chỉ gây ảnh hưởng đến môi trường nước mà còn gây ảnh hưởng môi trường đất và môi trường sinh vật làm chết hàng loạt nhiều vi sinh vật và động vật trong nước, ảnh hưởng xấu đến cảnh quan và môi trường sinh thái. Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải công nghiệp từ cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim màu, khai thác than chưa được xử lý được đổ trực tiếp ra Sông Cầu. Nhiều làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm thuộc các tỉnh lưu vực Sông Cầu với lưu lượng nước thải hàng ngàn m3/ ngày không qua xử lý, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực [14]. Tính chất của kim loại nặng Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học [28], không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi cacbon ngắn dẫn đến sự tích tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm [26].
Các nguyên tố kim loại nặng như chì, thủy ngân, nhôm, asen, cadimi, niken ở nồng độ lớn sẽ gây độc với cơ thể con người cũng như động, thực vật. 3 Một số kim loại nặng được tìm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con người, chẳng hạn như sắt, kẽm, magie, coban, mangan và đồng mặc dù với lượng rất ít nhưng nó hiện diện trong quá trình chuyển hóa. Các nguyên tố kim loại còn lại là các nguyên tố không thiết yếu và có thể gây độc tính cao khi hiện diện trong cơ thể, tuy nhiên tính độc chỉ thể hiện khi chúng đi vào chuỗi thức ăn. Các nguyên tố này bao gồm thủy ngân, niken, chì, asen, nhôm và đồng ở dạng ion kim loại.
Chúng đi vào cơ thể qua các con đường hấp thụ của cơ thể như hô hấp, tiêu hóa và qua tiếp xúc với da. Nếu kim loại nặng đi vào cơ thể và tích lũy bên trong tế bào lớn hơn sự phân giải chúng thì chúng sẽ tăng dần và sự ngộ độc sẽ xuất hiện. Do vậy người ta bị ngộ độc không những với hàm lượng cao của kim loại nặng mà cả khi với hàm lượng thấp và thời gian kéo dài sẽ đạt đến hàm lượng gây độc. Tính độc hại của các kim loại nặng được thể hiện qua: (1) một số kim loại nặng có thể bị chuyển từ dạng độc thấp sang dạng độc cao hơn trong một vài điều kiện môi trường, ví dụ thủy ngân.
(2) Sự tích tụ và khuếch đại sinh học của các kim loại này qua chuỗi thức ăn có thể làm tổn hại các hoạt động sinh lý bình thường và sau cùng gây nguy hiểm cho sức khỏe của con người. Giới thiệu về crom, mangan, sắt 1. Crom và ảnh hưởng của crom Crom trong cơ thể người trưởng thành chứa trung bình từ 1-5 mg và trong máu là 10 g / L. Crom cần cho sự chuyển hóa của gluxit và lipit, crom còn liên kết với sự chuyển hoá lipit, bổ sung crom làm gia tăng hàm lượng cholesterol tốt, làm giảm các glycerit và từ đó góp phần ngăn ngừa sự tích tụ mỡ bên trong các mạch máu, chống xơ vữa động mạch, điều hoà và giảm huyết áp ở người có tuổi [13].
4 Crom trong nước thải thường gặp ở dạng Cr(III) và Cr(VI). Cr(III) không độc với một lượng nhỏ có lợi cho quá trình trao đổi chất của con người nhưng Cr(VI) lại rất độc hại nó gây nguy hiểm cho gan và thận. Nếu lượng lớn crom vào cơ thể qua đường tiêu hoá sẽ gây ngộ độc nặng có thể dẫn đến tử vong, còn qua đường tiếp xúc lâu dài sẽ bị loét da, viêm kết mạc, viêm mũi và ảnh hưởng đến hô hấp [16]. Cr(VI) thường được đưa vào vùng nước tự nhiên từ nhiều nguồn nước thải công nghiệp bao gồm nước thải từ các ngành dệt nhuộm, mạ điện và các ngành công nghiệp khai khoáng.
Mangan và ảnh hưởng của mangan Mangan là nguyên tố tương đối phổ biến, nó thường nằm trong đất dưới dạng khoáng. Mangan tồn tại trong tự nhiên chủ yếu ở dạng Mn(II) ở trong các hợp chất muối tan của sunfat, nitrat, clorua. Mangan có mặt trong nước ở dạng ion hòa tan (Mn2+). Mangan là nguyên tố rất cần thiết đối với con người và động, thực vật.
Mangan có vai trò quan trọng trong cơ thể như: Tác động đến hô hấp tế bào, phát triển xương, chuyển hóa gluxit, hoạt động của não, cảm giác cân bằng. Mangan cũng được sử dụng nhiều trong công nghiệp luyện thép. Các hợp chất mangan được sử dụng để làm chất tạo màu và nhuộm màu cho gốm và thủy tinh. Ion magan là chất hoạt hóa một số enzim xúc tiến cho các quá trình tạo chất clorophin (chất diệp lục), tạo máu và sản xuất những kháng thể nâng cao sức đề kháng của cơ thể.
Mangan làm giảm lượng đường trong máu nên hạn chế được bệnh tiểu đường. Tuy nhiên nếu hàm lượng mangan có trong nước cao sẽ gây ra những vết ố bẩn trên tất cả những thứ mà nó tiếp xúc. Vì vậy sử dụng nước hằng ngày để lau rửa, giặt giũ sẽ gây ảnh hưởng đến độ bền của đồ dùng. Mangan cũng gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh, nếu mangan hấp thụ vào cơ thể với lượng lớn có thể gây độc cho phổi, hệ thần kinh, thận và tim mạch [16].
Sắt và ảnh hưởng của sắt Sắt là một trong những kim loại có nhiều trong vỏ trái đất. Nồng độ của nó trong nước tự nhiên có thể từ 0,5 - 50 mg/L. Sắt còn có thể hiện diện trong nước uống do quá trình keo tụ hóa học bằng hợp chất của sắt do sự ăn mòn ống dẫn nước. Sắt là một nguyên tố căn bản trong dinh dưỡng của con người.
Nhu cầu tối thiểu về sắt hàng ngày tuỳ thuộc vào tuổi, giới tính, thể chất thay đổi từ 10 - 50 mg/ngày [16]. Sắt có vai trò rất cần thiết đối với mọi cơ thể sống, ngoại trừ một số vi khuẩn. Sắt là nguyên tố vi lượng tham gia vào cấu tạo thành phần hemoglobin của hồng cầu, myoglobin của cơ vân và các sắc tố hô hấp ở mô bào và trong các enzim như: catalase, peroxidase… Sắt là thành phần quan trọng của nhân tế bào. Cơ thể thiếu sắt sẽ bị thiếu máu nhất là phụ nữ có thai và trẻ em.
Sắt thường tồn tại trong nước ngầm dưới dạng ion có hoá trị II là thành phần của các muối hoà tan như: Fe(HCO3)2, FeSO4. Hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu. Sắt hòa tan làm cho nước có mùi kim loại, khi hàm lượng sắt cao sẽ làm cho nước có mùi tanh, có màu vàng. Nếu lượng sắt có trong cơ thể vượt quá 0,3 mg/L sẽ gây ứ đọng sắt tại các mô như tim, gan, tuyến nội tiết dẫn đến rối loạn trầm trọng các chức năng các cơ quan này.
Sắt được coi là chất ô nhiễm thứ cấp hoặc chất gây mất thẩm mĩ cho nước. Quy chuẩ n Viê ̣t Nam về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT quy đinh ̣ nồ ng đô ̣ của ion kim loại trong nước thải công nghiệp như sau: Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ của một số ion kim loại trong nước thải công nghiệp Giá trị giới hạn STT Nguyên tố Đơn vị A B 1 Crom (VI) mg/L 0,05 0,00 2 Sắt mg/L 1,00 5,00 3 Mangan (II) mg/L 0,50 1,00 6 Trong đó: Cột A quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Cột B quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt [15]. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 1.
Sự hấp phụ Sự hấp phu ̣ là quá trin ̀ h tić h lũy vâ ̣t chấ t lên bề mặt phân cách pha. Chất hấp phụ là những chấ t có bề mă ̣t tiế p xúc lớn mà trên đó xảy ra quá trình hấp phu ̣. Chấ t bi ̣ hấ p phu ̣ là chấ t được tích lũy trên bề mă ̣t chấ t hấ p phu ̣. Khả năng hấ p phu ̣ của mỗi chất tùy thuô ̣c vào bản chấ t, diêṇ tích bề mă ̣t riêng của chấ t hấ p phu ̣, nhiê ̣t đô ̣, pH và bản chấ t của chấ t tan [11].
Tùy theo bản chấ t của lực tương tác giữa chấ t hấ p phu ̣ và chấ t bi ̣ hấ p phu ̣ mà người ta chia sự hấp phụ thành hấ p phu ̣ vâ ̣t lí và hấ p phu ̣ hóa ho ̣c. - Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vandecvan giữa các phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ. Liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ. - Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp phụ và bề mặt của chất bị hấp phụ.
Liên kết này bền, khó bị phá vỡ. Hấp phụ hóa học được coi là trung gian giữa hấp phụ vật lý và phản ứng hóa học. Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, người ta đưa ra một số tiêu chuẩn như sau: - Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hay đa lớp, còn hấp phụ hóa học chỉ là đơn lớp. - Nhiệt lượng hấp phụ: đối với hấp phụ vật lý lượng nhiệt tỏa ra là 2 ÷ 6 kcal/mol, đối với hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol.
7 - Nhiệt độ hấp phụ: hấp phụ vật lý thường xảy ra ở nhiệt độ thấp (gần nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụ), hấp phụ hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi.