MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ô nhiễm nguồn nƣớc đã và đang trở thành một mối quan tâm lớn trong những năm gần đây bởi những ảnh hƣởng tiêu cực của chúng đến hệ sinh thái, sinh vật và đặc biệt con ngƣời. Nguồn nƣớc bị ô nhiễm chủ yếu do hàm lƣợng các kim loại trong nƣớc vƣợt ngƣỡng cho phép, khi đó chúng sẽ có thể ảnh hƣởng tiêu cực đến môi trƣờng xung quanh. Các hoạt động chế biến và khai thác khoáng sản phục vụ phát triển kinh tế - xã hội là rất quan trọng với nhiều nƣớc trên thế giới, đặc biệt là những nƣớc đang phát triển nhƣ Việt Nam.
Hoạt động này mang lại lợi ích to lớn nhƣng cũng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trƣờng và xã hội. Đặc biệt, nguồn nƣớc thải từ nhiều khu khai thác và chế biến khoáng sản bị ô nhiễm bởi kim loại nặng (KLN). Để giảm thiểu tác động đến môi trƣờng và hệ sinh thái, hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp đƣợc phát triển để xử lý KLN trong nƣớc nhƣ phƣơng pháp đông tụ, kết tủa, trao đổi ion, hấp phụ, sinh học. Tuy nhiên, việc xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc tại các khu khai thác và chế biến khoáng sản là tƣơng đối khó, tốn kém do địa đình phức tạp, xa khu dân cƣ.
Vì vậy, cần lựa chọn phƣơng pháp xử lý ô nhiễm môi trƣờng hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trƣờng dựa trên thế lợi của nguồn nguyên liệu sẵn có của khu vực. Do đó phƣơng pháp hấp phụ sử dụng các nguyên liệu khoáng tự nhiên đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vì giá thành và hiệu suất tốt cho việc xử lý các KLN này. Các nguyên liệu khoáng tự nhiên đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhƣ đá ong, các khoáng sét (bentonit, kaolinit, verculite), các oxit và hydroxit sắt. Ngoài ra, các nguyên liệu tự nhiên cũng nghiên cứu và ứng dụng làm vật liệu biến tính phục vụ xử lý KLN và đạt kết quả hấp phụ tốt.
Bên cạnh đó, đuôi thải từ hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản nhƣ bauxit, than đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng làm vật liệu biến tính hấp phụ giá rẻ đạt hiệu quả cao. Tuy nhiên, rất ít nghiên cứu về khả năng hấp phụ KLN của bùn thải khu chế biến sắt. Sự kiện vỡ đập chắn bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn vào ngày 20/7/2015 đã gây ảnh hƣởng rất lớn 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đến diện tích đất nông nghiệp phía dƣới hồ chứa và hệ sinh thái xung quanh. Việc sử dụng chất thải từ hoạt động khai khoáng làm nguồn nguyên liệu đầu vào trong chế tạo vật liệu hấp phụ đƣợc coi là hƣớng tiếp cận sinh thái, thân thiện với môi trƣờng và giảm chi phí chế tạo vật liệu phục vụ xử lý ô nhiễm.
Do đó, học viên đã lựa chọn nghiên cứu đề tài luận văn cao học với tiêu đề “Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng hạt vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn trong xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng”. Giả thuyết nghiên cứu Vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn bằng cách trộn 10% thủy tinh lỏng và nung ở nhiệt độ 4000C trong 3 giờ có khả năng xử lý nƣớc bị ô nhiễm bởi các KLN Mn, Zn, Cd, Pb, As. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá đƣợc khả năng xử lý KLN của vật liệu SBC2-400-10S biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn; - Đánh giá đƣợc tiềm năng ứng dụng của vật liệu SBC2-400-10S trong xử lý nƣớc bị ô nhiễm KLN. Đối tƣợng nghiên cứu - Hạt vật liệu SBC2-400-10S chế tạo từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn bằng cách trộn với 10% thủy tinh lỏng, nung ở nhiệt độ 400 0C trong 3h; - Các ion KLN: Mangan (Mn); Kẽm (Zn); Cadimi (Cd); Chì (Pb) và Asen (As) 5.
Nhiệm vụ nghiên cứu Để thực hiện các mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra, các nhiệm vụ chính mà luận văn sẽ tiến hành bao gồm: - Tổng quan tài liệu về tình hình nghiên cứu ứng dụng các vật liệu khoáng tự nhiên trên thế giới và Việt Nam trong việc xử lý KLN; 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Khảo sát thực địa và lấy mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn; - Chế tạo vật liệu biến tính (SBC2-400-10S) từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn trộn 10% thủy tinh lỏng nung ở nhiệt độ 4000C; - Xác định tính chất của vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn bao gồm thành phần khoáng vật, thành phần hóa học, điện tích bề mặt, nhóm chức hoạt động, điểm điện tích không; - Thực hiện các thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính (xác định điểm điện tích không pHPZC, khảo sát độ bền, khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ khối lƣợng vật liệu và thời gian, nồng độ, thí nghiệm hấp phụ đẳng nhiệt dạng mẻ, thí nghiệm giải hấp); - Xác định hàm lƣợng KLN (Mn, Zn, Cd, Pb, As) trong mẫu vật liệu SBC2- 400-10S và nƣớc trƣớc và sau khi thí nghiệm; - Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính SBC2-400-10S. - Đánh giá tiềm năng ứng dụng của vật liệu biến tính làm vật liệu xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Một số phƣơng pháp xử lý kim loại nặng trong nƣớc 1.
Phương pháp trung hòa Phƣơng pháp trung hòa là sử dụng axit hoặc vô cơ để đƣa nƣớc thải có chứa các axit hoặc kiềm về pH khoảng 6,5 - 8,5 trƣớc khi thải vào nguồn nhận. Các nƣớc thải axit thƣờng đƣợc trung hòa bằng cách lọc qua các vật liệu nhƣ dolomit (MgCO3), đá vôi, đá hoa và các chất thải rắn nhƣ xỉ và xỉ tro để làm vật liệu lọc. Các vật liệu trên đƣợc sử dụng ở dạng cục với kích thƣớc từ 30 đến 80 mm. Quá trình có thể đƣợc tiến hành trong thiết bị lọc nằm ngang hay thẳng đứng (Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002).
Phương pháp kết tủa Phƣơng pháp kết tủa là phƣơng pháp phổ biến trong xử lý nƣớc thải có chứa KLN, đặc biệt sử dụng kết tủa carbonat canxi và hydroxit kim loại. Nguyên lý của phƣơng pháp dựa vào bản chất phản ứng hóa học giữa chất đƣợc xử lý và chất đƣa vào ở một mức pH thích hợp sẽ tạo thành chất kết tủa, sau đó đƣợc tách ra bằng phƣơng pháp lắng. Cơ chế của phƣơng pháp nhƣ sau: Mn+ + n(OH) M(OH)n Các kim loại khác nhau sẽ kết tủa tại các giá trị pH khác nhau. Do đó, cần xác định giá trị pH thích hợp đối với từng kim loại trong nƣớc.
Ví dụ, hydroxit Fe3+ kết tủa ở pH khoảng 4,1 (97,16%), trong khi đó hydroxit Al ở pH = 4 - 5,5 (92,9%) (Xinchao và nnk, 2005). Tùy thuộc vào thành phần, đặc trƣng ô nhiễm của nguồn nƣớc mà cần lựa chọn hóa chất để đƣa pH lên mức có thể kết tủa các kim loại cần xử lý. Một số hóa chất thƣờng đƣợc sử dụng bao gồm: magie oxit (MgO), natri hydroxyl (NaOH), vôi (CaO)…Trong quá trình kết tủa, việc bổ xung các chất keo tụ nhƣ phèn, muối sắt, các polymer hữu cơ có thể nâng cao khả năng loại bỏ KLN từ quá trình kết tủa. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Phương pháp trao đổi ion Đƣợc ứng dụng để làm sạch nƣớc bị nhiễm KLN (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn…) cũng nhƣ các hợp chất của As, photpho, xyanua và chất phóng xạ. Trao đổi ion là một quá trình trong đó có các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau (Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002). Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo. Vật liệu trao đổi ion tự nhiên là những khoáng có trong đất sét nhƣ sillit, montmorillonit, vermiculite và zeolit giống nhƣ clinoptilolit, fenspat, chất mica khác nhau… Chất hữu cơ dạng bùn cũng có khả năng trao đổi ion nhƣ than bùn.
Các chất có tính chất trao đổi cation là các chất chứa nhôm silicat, các chất fluor apatit và hydroxyt apatit cũng có tính chất trao đổi lớn. Phương pháp keo tụ - tạo bông Xử lý bằng phƣơng pháp keo tụ là cho vào trong nƣớc một loại hóa chất (chất keo tụ) có thể đủ làm cho các hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống. Quá trình keo tụ tạo bông gồm hai quá trình chính: - Quá trình keo tụ: Dựa trên cơ chế phá bền hạt keo; - Quá trình tạo bông: Tiếp xúc /kết dính giữa các hạt keo đã bị phá bền. Cơ chất tiếp xúc giữa các hạt này bao gồm: (1) Tiếp xúc do chuyển động nhiệt (chuyển động Brown) tạo thành các hạt có kích thƣớc nhỏ; (2) Tiếp xúc do quá trình chuyển động của lƣu chất đƣợc thực hiện bằng cách khuấy trộn để tạo thành những bông cặn có kích thƣớc lớn hơn; (3) Tiếp xúc do quá trình lắng của các hạt.
Các hóa chất keo tụ thƣờng sử dụng là các muối nhôm sunfat [Al2(SO4)3], poly aluminium cloric (PAC), sắt sunfat (FeSO4), sắt clorua (FeCl3). Tủa bông là sự tổ hợp các hạt keo đã bị keo tụ, các chất tạo bông thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ các polymer vô cơ (silic hoạt tính), polymer tự nhiên (tinh bột, xantan, pectin), polymer tổng hợp và các chất tạo bông hữu cơ cao phân tử… 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phương pháp lọc màng Hiện nay trên thế giới có bốn phƣơng pháp lọc màng chính dựa vào các kích thƣớc lỗ của màng bao gồm siêu lọc (UF), lọc nano (NF), thẩm thấu ngƣợc (RO) và điện thẩm tách (EDR). Các chất rắn lơ lửng và những chất bẩn có kích thƣớc lớn hơn màng sẽ đƣợc màng lọc giữ lại trên màng.
Tuy nhiên, nhƣợc điểm phƣơng pháp này là sau một thời gian lọc cần phải rửa màng lọc hoặc thay thế chúng. Phương pháp sử dụng thực vật Phƣơng pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm môi trƣờng (phytoremediation) là việc sử dụng thực vật để hấp thụ, phân hủy các chất ô nhiễm có trong đất, bãi thải, trầm tích và nƣớc ngầm (Cunningham và nnk, 1997; Flathman và Lanza, 1998; Brooks, 1998). Hiện nay có khoảng hơn 400 loài thuộc 45 họ thực vật đƣợc biết là các loài siêu tích lũy kim loại.