Lời Mở Đầu Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp mạ điện, khai khoáng, phân bón, thuộc da, may mặc, ắc quy, pin, giấy, thuốc trừ sâu. đã làm tăng sự tác động của ion kim loại tới môi trường sống và sức khỏe con người. Không giống các hợp chất hữu cơ, ion kim loại nặng có xu hướng tích ly trong cơ thể các sinh vật sống, đồng thời cũng là một trong những nguyên nhân gây ung thư, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Trong đó, các ion kim loại: Kẽm, đồng, niken, thủy ngân, cadmium, chì, crom [1] có kha năng gây ảnh hưởng đáng kế đến sức khỏe con người và môi trường sống.
Điển hình là kim loại chì, nó tích lũy trong cơ thể chủ yếu ở trong xương, não, thận, cơ và là nguyên nhân gây ra những rối loạn nghiêm trọng như thiếu máu, bệnh thận, rồi loạn thần kinh, thậm chí tử vong. Do tác động độc hại của các kim loại nặng nói chung và của chì nói riêng nên việc loại bỏ chúng khỏi nước thải rất quan trọng nhăm bảo vệ sức khỏe con người cũng như môi trường [2]. Để xử lý ion kim loại nặng nhằm giảm thiểu tác động của nó, người ta đã sử dụng rất nhiều phương pháp như: Kết tủa hóa học, trao đối ion, hap phụ, màng lọc. Phương pháp truyền thống là kết tủa hóa học, với ưu điểm như đơn giản, dễ tiễn hành và giá thành thấp nhưng chỉ phù hợp với việc xử lý nước thải có nông độ ion kim loại cao.
Bên cạnh đó, phương pháp nay không kinh tế va sinh ra một lượng lớn bùn sau kết tủa gây khó khăn cho quá trình xử lý. Ngày nay, phương pháp trao đổi ion cũng được ứng dụng rộng rãi, nhưng giá thành cao và gây ô nhiễm thứ cấp, việc giải hấp phức tạp vẫn còn là những trở ngại lớn. Một phương pháp khác cho hiệu suất loại bỏ kim loại nặng rất cao là phương pháp màng loc, song giá thành còn cao, quá trình phức tạp, dễ gây tắc ngẽn màng. So với các phương pháp trên thì phương pháp hấp phụ nhận được sự quan tâm nghiên cứu nhiều hơn, nó cho hiệu suất xử lý tốt các ion kim loại nặng ở nồng độ thấp, đơn giản, độ chọn lọc cao, hạn chế lượng bùn thải và hiệu quả kinh tế [3].
Đối với phương pháp hap phụ, chủ yếu sử dung than hoạt tính là phan lớn, song chi phí xử lý van còn tương đôi cao và tái sinh phức tạp. Việc nghiên cứu tìm kiêm vật Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: PGS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ TS. Lê Minh Viên liệu giá thành thấp và dung lượng hấp phụ cao được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Trong đó đáng chú ý là hydroxyapatite và bentonite là các vật liệu có khả năng xử lý kim loại nặng tốt, giá thành thấp, dé dang sử dụng, có khả năng tái sử dụng, thu hồi làm giàu kim loại quý cũng như rất thân thiện với môi trường [1]. Khoáng sét Bentonite ở nước ta có tiềm năng rất lớn về trữ lượng. tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa được sử dụng đúng mức, hầu hết vẫn chỉ dừng lại ở khai thác thô dẫn đến hiệu quả kinh tế và hiệu quả sử dụng còn thấp [4-7]. Hydroxyapatite đang được xem là vật liệu day hứa hen cho các ứng dụng hấp phụ ion kim loại cũng như cố định ion kim loại trong đất với dung lượng hấp phụ rất cao.
Ngoài ra, nguồn nguyên liệu để sản xuất hydroxyapatite khá d6i dào. Tuy nhiên, vì kha năng kết khối của hydoxyapatite chưa đạt yêu cầu mong muốn, nên việc ứng dụng làm vật liệu xử lý nước thải trong công nghiệp vẫn còn là một trở ngại lớn [l, 3]. Vì vậy, việc kết hợp các ưu điểm của hai vật liệu này để chế tạo thành vật liệu hấp phụ ion kim loại hướng tới sử dụng trong công nghiệp luôn là vẫn đề đáng quan tâm. Trong kỹ thuật xử lý nước thải, vật liệu hap phụ dạng bột có lợi thé là tốc độ hap phụ nhanh do kích thước vật liệu hap phụ nhỏ, diện tích bề mặt tiếp xúc lớn.
Song van dé thu hồi gặp nhiều khó khăn và thất thoát đặc biệt là đối với vật liệu có tính dẻo sệt như bentonite và bột min hydroxyapatite. Do đó dé thuận loi hon trong ứng dụng thực tế, việc sử dụng vật liệu hấp phụ dạng hạt [8] là giải pháp đơn giản nhất. Với những nhận định như trên chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu tạo hạt hydroxyapatite kết hợp bentonite ứng dụng trong xử lý lon kim loại Pb** trong nước `. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng hydroxyapatite được tổng hợp từ vỏ sò, kết hợp với bentonite để chế tạo vật liệu hấp phụ dạng hạt, và khảo sát khả năng hấp phụ ion PbF trong nước trên VLHP.
Nghiên cứu này được thực hiện với hi vọng sẽ là một định hướng nhằm sản xuất một loại VLHP có khả năng ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải thực tế. VỊ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: PGS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ TS. Lê Minh Viên CHUONG 1: TONG QUAN 1.1 CHI VA ĐỘC TO Trong môi trường nước, chì tôn tại trong các hợp chất vô co và hữu co chủ yếu ở dạng ion Pb””.
Trong công nghiệp. chi được dùng làm sơn công nghiệp, ắc quy chì trong xe hơi, làm nguyên liệu luyện kim chì, làm chất xúc tác trong sản xuất polymer và tetra-aryl chì, được sử dụng rộng rãi. Chì phát thải vào môi trường đất chủ yếu từ khí quyền, từ các nguồn khói thải xe cộ, khói thải nhà máy luyện kim, nhà máy loc dầu hay các nhà máy sản xuất các hợp chất hay hàng hóa có chứa chì [2]. Chì có khả năng tích lũy cao qua dây chuyển thức ăn, có thé gây độc tính với lượng đủ lớn.
Con người hấp phụ chì một cách gián tiếp thông qua dây chuyên thực phẩm hoặc trực tiếp theo các con đường qua hồ hấp và da [2]. Nong do ion Pb** cho phép trong nước <0,lmg/1 đối với nước cấp sinh hoạt và < 0,5mg/1 đối với nước không dùng cho mục đích sinh hoạt [9]. Nhiễm độc chì thường làm roi loạn trí óc, nhẹ thì nhức đầu, co giật, có thé dẫn đến động kinh, hôn mê, thậm chí tử vong. Độc chất của chì làm viêm thận, thấp khớp, tích lũy dan dan trong các xương và làm ton hại nghiêm trọng cơ quan này.
Nhiễm độc chì mãn tính là một trong những tác nhân gây ung thư và bệnh Alzhheimar tăng cao. Chì có độc tính cao với não, có thể gây đột tử, ngộ độc nặng, nhất là đối với trẻ em. Những trẻ em bị nhiễm độc chì có dẫu hiệu thiếu máu, da xanh tái do chì đã ức chế sự tong hop hemoglobin [2]. Chính vì vậy, việc nghiên cứu nguồn phát thải, trạng thái ton tại, việc ngăn chặn và xử lý ô nhiễm chì đang được đặt ra hết sức bức thiết.1 Giới thiệu Thuật ngữ “Bentonite” là tên thông dụng của một loại khoáng sét, nó có tính keo và dẻo, thành phần chính là montmorillonite (MMT), ngoài ra còn có: Feldspar, biotite, kaolinite, illite, cristobalite, pyroxene, và thạch anh.
Nó được sinh ra từ tro tan Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: PGS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ TS. Lê Minh Viên của núi lửa, một quá trình phong hóa các nham thạch lâu dài trong điều kiện khí hậu nóng âm ướt [6]. Ở nước ta có tiềm năng khoáng sản bentonite rất lớn, phân bố khắp các vùng miền từ Bắc vào Nam với đủ hai chủng loại bentonite kiểm và kiềm thổ.
Các địa phương có khoáng bentonite trữ lượng lớn là: Di Linh-Lâm Đồng, Cổ Dinh-Thanh Hoá, Tuy Phong-Bình Thuận, Gia Quy-Ba Ria Vũng Tàu, Kiên Binh-An Giang, Long Dat-Déng Nai,. Bentonite được sử dụng trong công nghiệp phan lớn là Na- MMT, Ca-MMT và một lượng nhỏ saponite (Mg), nontronite (Fe), hectorite (Li). o = Si ®:O @=A!l @=OH Hình 1.1: Cau trúc của khoáng MMT [11] Cong thức phân tử chung cho MMT là: (M ;.nH;O)(AI; yMg,)Si4O¡o(OH);, trong đó: M= Na, K, Mg, Ca, Fe, theo lý tưởng x = 0,33. MMT có câu trúc lớp 2:1, mỗi lớp cấu trúc trong tinh thé của MMT được cau tạo từ 2 lớp tứ diện (SiO¿) liên kết với một lớp bát diện (Me(OHJ); trong đó Me = AI, Fe, Mg, .) ở giữa qua cầu nỗi O; Hai lớp tứ diện cùng quay đỉnh chung vào phía lớp bát diện.
Các đỉnh chung của tứ diện va bát diện khá nhiều do đó phan lớn nhóm OH đã bị thay thé bằng O va quay đầu vào bên trong lớp cau trúc, cứ 3 vị trí tâm bát diện thì 2 vị trí được chiếm bởi các cation hóa tri 3+ (chủ yếu AI) còn một vị trí dé trong [6, 7]. Trong mạng lưới cấu trúc thường xảy ra su thay thé đồng hình giữa các cation làm xuất hiện điện tích âm (trong mạng bát diện do sự thay thế đồng hình của ion AI” Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: PGS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ TS. Lê Minh Viên bằng ion Mg””, ở mạng tứ diện do sự thay thế của ion Si* bởi ion AI”).
Điện tích âm của mạng được bù trừ bởi các cation Na”, K*, Ca”, Li*,. nam trong khoảng không gian giữa hai lớp. Các cation này dễ bị hydrat hóa khi tiếp xúc với nước và dễ dàng được thay thế bởi các cation khác tạo ra khả năng biến tính MMT. Chiều dày của một lớp cấu trúc là 9,6A đối với trạng thái khô.
Khi hap phụ nước thì khoảng cách giữa lớp cấu trúc tăng lên khoảng 15 - 20A. Khoảng cách này còn có thé tăng lên đến 30A khi các cation trao đối được thay thế bằng các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử hữu cơ [6]. Khi hòa tan trong nước, các lớp liên kết tĩnh điện với nhau tạo cầu trúc card-house và chất lỏng trở nên sén sệt. Khi cau trúc phát triển hơn, chất lỏng MMT phân tán trở thành dang gel.
Bentonite đã được biết đến và sử dụng từ lâu với những tính chất đa dạng của nó. Bentonite được sử dụng trong các lĩnh vực chính sau [6, 7]: - Lam vật liệu tay, lọc trong nhiều ngành công nghiệp hóa học như: Hóa dau, thực phẩm, dét nhuộm, chất tây rửa, xử lý nước thai,. - Phụ gia trong các ngành công nghiệp, làm chất xúc tác, chất mang xúc tác, chất kết dính, khuôn đúc trong công nghiệp luyện kim. - Bentonite còn ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm, mỹ phẩm.2 Khả năng trao đổi ion và hấp phụ Khả năng trao đổi ion là tinh chất cơ ban của bentonite do sự thay thế đồng hình Sĩ” bởi AI”? hoặc AI” bởi Mg”” làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới.
Điện tích này bù trừ bởi các cation trao đối năm giữa các lớp cấu trúc.