Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay, Việt Nam đang phải đối mặt với thách thức lớn về tình trạng ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt là tại các khu công nghiệp và đô thị. Tại các thành phố lớn, lượng nước thải chưa qua xử lý của hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp xả thẳng ra môi trường là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước. Ở khu vực nông thôn, tình trạng ô nhiễm nguồn nước cũng không ngừng gia tăng.
Theo thống kê, có 76% số dân đang sinh sống ở nông thôn, là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc chưa được xử lý nên thấm xuống đất hoặc rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngày càng tăng. Bên cạnh đó, tình trạng ô nhiễm do kim loại nặng thải ra từ các ngành công nghiệp là một mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con người cũng như đối với hệ sinh thái. Kim loại nặng và độc tố là các thành phần đặc trưng của các chất thải công nghiệp, các kim loại nặng nói chung rất khó loại bỏ bằng các biện pháp xử lý nước thông thường và nếu chúng xâm nhập vào các nguồn nước sinh hoạt ở ngưỡng cao hơn cho phép sẽ gây nên những hậu quả nghiêm trọng như tỉ lệ người mắc các bệnh cấp và mãn tính liên quan đến ô nhiễm nước như viêm da tiêu hóa, tiêu chảy và nguy cơ ung thư ngày càng cao. Tại một số địa phương trường hợp bệnh nhân mắc bệnh ung thư, viêm nhiễm chiếm từ 40-50% nguyên nhân là do sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm.
Theo đánh giá của các Bộ Y tế và NN&PTNT, trung bình mỗi năm, Việt Nam có khoảng 9.000 người chết vì nguồn nước ô nhiễm và điều kiện vệ sinh kém; trên 100.000 trường hợp mắc ung thư mới phát hiện mà một trong những nguyên nhân chính là do sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm. Ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt ô nhiễm do kim loại nặng đang gây tổn thất lớn cho sức khỏe con người và cho các ngành sản xuất kinh doanh, nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản. Giới thiệu chung về ion kim loại nặng 1. Sơ lược về kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3.
Một vài kim loại nặng có thể cần thiết cho cơ thể sống bao gồm động vật, thực vật, các vi sinh 3 vật khi chúng chỉ ở một hàm lượng nhất định nào đó. Tuy nhiên khi ở một hàm lượng lớn hơn giới hạn cho phép nó sẽ trở nên độc hại. Trong tự nhiên kim loại nặng tồn tại ở cả ba môi trường: môi trường đất, môi trường nước, môi trường không khí. Trong đó môi trường nước là môi trường có khả năng phát tán kim loại nặng đi xa và rộng nhất, trong môi trường này kim loại nặng có thể tồn tại dưới dạng ion và phức chất.
Nguồn nước có chứa kim loại nặng nếu được đưa đi tưới cây thì sẽ khiến cây trồng và đất trồng sẽ bị ô nhiễm kim loại nặng. Do đó kim loại nặng trong môi trường nước có thể đi vào cơ thể con người thông qua con đường ăn uống. Giới thiệu về mangan và tác dụng sinh hóa của mangan Mangan là nguyên tố đóng vai trò thiết yếu trong tất cả các dạng sống, là nguyên tố phổ biến thứ 12 trong sinh quyển, chiếm 0,1% trong vỏ trái đất. Trong tự nhiên Mangan tồn tại trong đất, nước, trầm tích và trong các vật chất sinh học khác nhau.
Đây là nguyên tố rất cần cho sự phát triển sinh giới. Về mặt dinh dưỡng mangan là một nguyên tố vi lượng, nhu cầu dinh dưỡng mỗi ngày từ 30-50µg/kg thể trọng. Mangan là chất có tác dụng kích thích nhiều loại enzim trong cơ thể, có tác dụng đến sự trao đổi chất canxi và photpho trong cấu tạo xương. Mangan cũng trở thành kim loại có tính độc hại khi được hấp thụ ở nồng độ cao.
Với con người, mangan gây ra hội chứng được gọi là “manganism”, gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương, bao gồm các triệu chứng như đau đầu, mất ngủ, viêm phổi, run chân tay, đi lại khó khăn, co thắt cơ mặt, tâm thần phân liệt, thậm chí ảo giác. Nó cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thông qua chuỗi thức ăn [10]. Giới thiệu về sắt và tác dụng sinh hóa của sắt Sắt là kim loại rất phổ biến, chiếm 5% khối lượng vỏ Trái Đất. Trong tự nhiên, người ta chỉ gặp sắt ở trạng thái tự do trong các mảnh thiên thạch.
Nhưng hợp chất của sắt tồn tại dưới dạng quặng thì rất phong phú. Nồng độ của sắt trong nước tự nhiên có thể từ 0,5-50mg/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 trong ống dẫn nước. Sắt là một nguyên tố căn bản trong dinh dưỡng của con người.
Nước uống có sự có mặt của sắt sẽ dẫn đến sự thay đổi mùi vị, ngoài ra độc tính của sắt còn dẫn đến 4 những hậu quả như chứng chán ăn, tiểu ít, tiêu chảy, hạ thân nhiệt, thêm vào đó có thể bị tắc nghẽn mạch máu của đường tiêu hóa, não, tim, gan, trên thận và tuyến ức. Trường hợp ngộ độc sắt cấp tính thường xảy ra với gan và hệ tiêu hóa dẫn đến các căn bệnh như xơ gan [26, 34]. Quy chuẩn Việt Nam về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT quy định nồng độ của ion kim loại trong nước thải công nghiệp như sau: Bảng 1. Giá trị giới hạn nồng độ của một số ion kim loại trong nước thải công nghiệp Giá trị giới hạn Nguyên tố Đơn vị A B Mangan mg/L 0,5 1,0 Sắt mg/L 1,0 5,0 Trong đó: - Cột A quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào 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 nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt [19].
Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 1. Phương pháp kết tủa Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào nước thải với kim loại cần tách, ở pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách khỏi nước thải bằng phương pháp lắng. Phương pháp này thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới dạng hiđroxit kim loại rất ít tan. Trong phương pháp kết tủa đối với kim loại thì pH đóng vai trò rất quan trọng.
Khi xử lý cần chọn tác nhân trung hòa và điều chỉnh pH phù hợp. Phương pháp này chỉ là quá trình xử lý sơ bộ, đòi hỏi những quá trình xử lý thiếp theo [2]. Phương pháp trao đổi ion Đây là một trong những phương pháp thường được dùng để tách kim loại nặng ra khỏi nước thải. Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là quá 5 trình trao đổi ion, quá trình này được tiến hành trong cột cationit và anionit.
Ionit được làm từ nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hyđrocacbon có các nhóm chức trao đổi ion. Khi nhựa trao đổi ion đã bão hòa, người ta khôi phục lại cationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch bazơ loãng. Về mặt kỹ thuật hầu hết các kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion. Tuy nhiên phương pháp này cần có nguồn kinh phí lớn, đặc biệt đối với nhà máy có quy mô lớn, lượng nước thải nhiều nên vẫn chưa được áp dụng phổ biến [1].
Phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp có tính ưu việt hơn hẳn so với phương pháp khác. Vật liệu hấp phụ thường được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp, đặc biệt các vật liệu hấp phụ có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành xử lý thấp, tức hiệu quả kinh tế cao [17]. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ với chất hấp phụ là vật liệu chế tạo từ cây sen để hấp phụ Mn(II) và Fe(III). Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 1.
Các khái niệm - Sự hấp phụ Sự hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - rắn, lỏng - lỏng…). 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. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh. Chất bị hấp phụ: là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ.
Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người ta chia hấp phụ thành hai loại: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ vật lý là quá trình xảy ra bởi lực VanderWaals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ. Hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch, các chất bị hấp phụ có thể dễ dàng bị tách ra khỏi chất hấp phụ khi thay đổi điều kiện hấp phụ. Hấp phụ hoá học là 6 quá trình hấp phụ xảy ra nhờ các lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ.
Trong thực tế, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số hệ hấp phụ, sự hấp phụ xảy ra đồng thời cả hai qua trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [1, 17]. - Giải hấp phụ Giải hấp phụ là sự đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ. Quá trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với qua trình hấp phụ.
Đây là phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế. Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua các yếu tố sau: + Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ. + Thay đổi bản chất tương tác của hệ thống thông qua thay đổi pH của môi trường. + Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ trên bề mặt chất rắn.