CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về ô nhiễm kim loại và các phương pháp xử lý 1. Ô nhiễm kim loại trong nước thải công nghiệp Kim loại nặng bao gồm một số loại như: As, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Hg, Se, Zn,. chúng có nguồn gốc từ các nguồn nước thải trong công nghiệp, nông nghiệp cũng như trong tự nhiên như: cadimi có nguồn gốc từ chất thải công nghiệp, trong chất thải khi khai thác quặng.
Crôm xuất hiện trong công nghiệp mạ hay chì trong công nghiệp than, dầu mỏ. Thuỷ ngân trong chất thải công nghiệp khai thác khoáng sản, thuốc trừ sâu. Chúng đều có những tác hại nhất định như As có thể gây ung thư, Cd có thể gây ra huyết áp cao, đau thận phá huỷ các mô và tế bào máu, chì rất độc ảnh hưởng tới thận và thần kinh hay thuỷ ngân là một kim loại rất độc. Các kim loại này khi thải vào nước làm cho nước bị nhiễm bẩn mất đi một số tính chất hoá lý đặc biệt cũng như những tính chất và thành phần thay đổi làm ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái và sức khoẻ con người [1].
Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm kim loại nặng là quá trình đổ vào môi trường nước nước thải công nghiệp và nước thải độc hại không xử lý hoặc xử lý không đạt yêu cầu. Hiện tượng nước bị ô nhiễm kim loại nặng thường gặp trong các lưu vực nước gần các khu công nghiệp, các thành phố lớn và khu vực khai thác khoáng sản. Ô nhiễm kim loại nặng biểu hiện ở nồng độ cao của các kim loại nặng trong nước. Hầu hết các kim loại nặng tồn tại trong nước ở dạng ion.
Chúng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó chủ yếu là từ các hoạt động công nghiệp. Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trường hợp, các kim loại nặng khi đã phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâu dài. Chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng. Quá trình này bắt đầu với những nồng độ rất thấp của các kim loại nặng tồn tại trong nước hoặc cặn lắng, rồi sau đó được tích tụ nhanh trong các động vật và thực vật sống trong nước.
Lớp KTMT 2012B 2 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luan van Tiếp đến là các động vật khác sử dụng các thực vật và động vật này làm thức ăn, dẫn đến nồng độ các kim loại nặng được tích lũy trong cơ thể sinh vật trở nên cao hơn. Cuối cùng ở sinh vật cao nhất trong chuỗi thức ăn, nồng độ kim loại sẽ đủ lớn để gây ra độc hại. Con người, xét theo quan điểm sinh thái, thường có vị trí cuối cùng trong chuỗi thức ăn, vì thế họ vừa là thủ phạm vừa là nạn nhân của ô nhiễm kim loại nặng [8]. Một số phương pháp xử lý kim loại trong nước thải Hàm lượng ngày càng tăng của kim loại nặng trong môi trường là nguyên nhân gây nhiễm độc đối với đất, không khí và nước.
Việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng độc ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng phải giải quyết hiện nay. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước thải trước khi thải ra môi trường. Tuy nhiên do nước thải công nghiệp có thành phần rất đa dạng, nồng độ các ion kim loại thay đổi rất rộng, giá trị pH cũng luôn biến động từ axit đến trung tính hoặc kiềm. Để xử lý cũng như thu hồi chúng có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau, phù hợp để đạt liệu quả cao.
Dưới đây trình bày một số phương pháp để xử lý và thu hồi các ion kim loại trong nước thải công nghiệp. Xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng các phương pháp hóa - lý. Bằng con đường xử lý hóa học người ta có thể loại trừ kim loại nặng ra khỏi nước thải. Với các nguồn nước thải công nghiệp có nồng độ kim loại nặng cao và pH cực đoan thì việc xử lý chúng bằng các phương pháp hóa lý là rất ưu thế.
Các phương pháp thường được sử dụng là: - Phương pháp đông keo tụ - Phương pháp kết tủa hóa học - Phương pháp trao đổi ion - Phương pháp điện hóa - Phương pháp điện thẩm tách - Phương pháp hấp phụ a. Phương pháp đông keo tụ [35] Lớp KTMT 2012B 3 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luan van Các chất lơ lửng trong nước được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau để cung cấp nước có chất lượng phù hợp cho sinh hoạt và yêu cầu công nghiệp nhất định. Các chất lơ lửng có thể bao gồm các chất rắn lớn có thể lắng nhờ tác dụng của trọng lực, và các chất rắn không thể lắng thường là các hạt keo trong tự nhiên. Để loại bỏ chúng người ta thường sử dụng phương pháp đông keo tụ.
Đông tụ là quá trình trung hòa điện tích, còn quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ. Đông tụ có thể được thực hiện thông qua việc bổ sung các muối vô cơ của nhôm hoặc sắt. Các muối vô cơ trung hòa điện tích trên các hạt lơ lửng trong nước, và cũng có thể thủy phân để tạo thành kết tủa. Quá trình đông tụ cũng có thể được thực hiện bằng việc bổ sung các polyme hữu cơ hòa tan trong nước với rất nhiều các vị trí bị ion hóa để trung hoà điện tích.
Quá trình keo tụ có thể được tăng cường bằng việc bổ sung các hợp chất cao phân tử như các polyme hữu cơ hòa tan. Các polyme có tác dụng làm tăng kích thước của các hạt keo để tạo thành bông keo. Nguyên tắc phương pháp Khi ta đưa vào nước muối kim loại hóa trị III có thể thủy phân, ví dụ như: một muối sắt hoặc muối nhôm. Việc thêm vào này trước hết gây ra sự tăng nhẹ một lực ion, đồng thời cũng làm biến đổi pH vì xảy ra sự acid hóa của môi trường (do sự thủy phân) ở liều lượng thích hợp của các muối này, sự thủy phân diễn ra hoàn toàn tạo các kết tủa hydroxyd kim loại vô định hình dạng kết tủa bông.
Chúng có thể “bẫy” hoặc “bắt” các hạt keo để rồi có thể lắng gạn chúng. Sử dụng một muối kim loại thủy phân hóa trị III là một biện pháp thường hay ứng dụng nhất trong việc xử lý nước. Khi đưa vào các hợp chất polyme tự nhiên hoặc tổng hợp, nói chung là các polyme hữu cơ (amidon, alginate, polyelectronlyte tổng hợp) đôi khi polyme vô cơ (silic) vào hệ keo thì xảy ra sự hấp thụ trên bề mặt các hạt keo làm cho các hạt keo bị phá vỡ trạng thái cân bằng. Các polyme với các mạch dài có khả năng liên kết các hạt keo lại với nhau tạo thành các bông keo tạo điều kiện hình thành tập hợp lớn hơn, thế nên nếu hàm lượng polyme cao sẽ dẫn đến sự tái tạo tính bền cho hệ keo.
Lớp KTMT 2012B 4 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luan van Cơ chế của quá trình đông tụ keo Hình 1.1: Cơ chế của quá trình đông keo tụ Một số chất keo tụ vô cơ: Các muối nhôm: NH 4Al(SO4)2.6H2O và muối sắt: Lớp KTMT 2012B 5 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luan van Fe2(SO4)3. Tuy nhiên muối nhôm và sắt khi cho trực tiếp sẽ bị thủy phân tạo thành các oxo-hydroxid tan và không tan đồng thời kèm theo sự giải phóng proton làm giảm pH của môi trường, do vậy để khắc phục hạn chế này người ta đang tìm ra một loại polyme vô cơ mới để thay thế như: Đầu tiên là PAC (polyaluminium chloride) và PEC (polyferric chloride). Các thử nghiệm đều cho thấy cả PAC và PFC đều đạt hiệu quả xử lý cao về độ đục, kim loại nặng, COD và đều cho thấy khả năng xử lý trội hơn khi ở nhiệt độ thấp và trong việc xử lý nước thải. Sau đó là sự ra đời của một số sản phẩm mới như: PAS (polyaluminium sulfat), PASS (polyaluminium silicate sulfat), PFS (polyferric sulfat), PAFS (polyaluminium ferric sulfat).
Một số chất keo tụ hữu cơ (Polyelectrolytes): gồm hai loại là polyme tổng hợp và polyme tự nhiên. Polyme tự nhiên: tinh bột, xenlulozo. Polyme tổng hợp: polyme mạch thẳng, tan trong nước có 3 dạng cation, anion, và không ion như: polyacrylamit, polyacrylic, polystiren. Trong hai loại polyme tổng hợp và polyme tự nhiên được sử dụng thì polyme tổng hợp có hiệu quả cao hơn nhiều so với polyme tự nhiên do khả năng kết nối của polyme tổng hợp với các chất trong nước hiệu quả hơn, dễ kiểm soát trọng lượng phân tử, cũng như bản chất và hàm lượng ion trong polyme.
Đây là phương pháp khả thi về mặt kinh tế. Tuy nhiên nó không xử lí được tất cả các loại chất rắn lơ lửng mà khả năng keo tụ không tốt, không kết lắng dễ dàng, bông cặn chất lượng thấp, chất rắn lơ lửng mà có hoạt tính khó xử lý bằng các tác nhân keo tụ thông thường và còn ít được ngiên cứu. Bên cạnh đó phương pháp keo tụ cũng tạo ra một lượng bùn thải lớn và không làm giảm tổng chất rắn hòa tan nên gây khó khăn cho tuần hoàn nước. Phương pháp kết tủa [11] Lớp KTMT 2012B 6 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Luan van Xử lý kim loại bằng phương pháp kết tủa là phương pháp phổ biến và thông dụng nhất ở Việt Nam hiện nay.
Với ưu điểm là rẻ tiền, khả năng xử lí nhiều kim loại trong dòng thải cùng một lúc và hiệu quả xử lý kim loại nặng ở mức chấp nhận được thì phương pháp này đang là lựa chọn số một cho các nhà máy công nghiệp ở Việt Nam. Nguyên tắc của phương pháp Mn+ +Am =MmAn↓ (kết tủa) Kết tủa tạo thành khi: [M] m.[A] n ≥ Tt MA Trong đó : Mn+ : ion kim loại Am- : tác nhân gây kết tủa Tt : tích số tan. Trong phương pháp này người ta có thể sử dụng nhiều tác nhân để tạo kết tủa như: S2-, SO42-, PO43-, Cl-, OH-. nhưng trong đó S2-, OH- được sử dụng nhiều nhất vì nó có thể tạo kết tủa dễ dàng với hầu hết các kim loại, còn các ion PO 43-, SO42-, Cl-.
chỉ tạo kết tủa với một số các ion kim loại nhất định do vậy chúng chỉ được dùng khi dòng thải chứa đơn kim loại hoặc một vài kim loại nhất định. Đối với mỗi kim loại khác nhau có pH thích hợp để kết tủa khác nhau tùy thuộc vào khả năng tạo kết tủa của M(OH) n và tùy thuộc vào nồng độ các kim loại có trong nước thải cần xử lý.