MỞ ĐẦU Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước đã và đang là vấn đề ngày càng được quan tâm. Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng chủ yếu là nước thải công nghiệp từ việc khai khoáng, gia công kim loại, thuộc da, dược phẩm, thuốc trừ sâu, hóa chất hữu cơ, cao su và nhựa, gỗ và các sản phẩm từ gỗ [24, 28]. Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học như các chất ô nhiễm hữu cơ và không thể bị phân hủy bởi môi trường mà chỉ có thể bị pha loãng hoặc thay đổi dạng tồn tại [35, 40]. Sự tích lũy kim loại nặng tác động đến đời sống của các sinh vật, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người thông qua chuỗi thức ăn.
Cơ quan quốc tế nghiên cứu về ung thư (International Agency for Research on Cancer - IARC) đã xếp cadimi và hợp chất của nó vào nhóm 2A theo thứ tự sắp xếp về mức độ độc hại của các nguyên tố trong ngành y tế. Bệnh itai-itai xảy ra ở Nhật Bản là một ví dụ điển hình do ô nhiễm nguồn nước bởi cadimi. Chì và các hợp chất của chì được xếp vào nhóm 2B là nhóm có khả năng gây ung thư. Khi cơ thể bị nhiễm độc chì sẽ gây ức chế một số enzym quan trọng của quá trình tổng hợp máu gây cản trở quá trình tạo hồng cầu.
Một số phương pháp đã được sử dụng và phát triển để loại bỏ các kim loại trong nước như kết tủa hóa học, thẩm thấu ngược, siêu lọc, trao đổi ion và hấp phụ [22, 28, 35]. Trong đó, hấp phụ là phương pháp thường được sử dụng nhất do có nhiều ưu điểm: đơn giản, hiệu quả, chi phí xử lý thấp. Nhiều vật liệu hấp phụ khác nhau đã được sử dụng như silica gel, chitosan, zeolite, mùn cưa, tro bay,…tuy nhiên chưa đạt được hiệu quả mong muốn. Vì vậy, việc nghiên cứu, khảosát tìm vật liệu xử lý các kim loại nặng độc hạitrong nước một cáchcó hiệu quả, thân thiện hơn với môi trường là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cần thiết.
Cacbon cấu trúc nano có tính chất cơ học tuyệt vời như độ bền, độ chống mài mòn cao, chịu nén tốt, nhẹ, khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Trong những năm gần đây, các vật liệu polyme cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc làm sạch nước. Đây là những vật liệu có tiềm năng lớn để sử dụng làm chất hấp phụ loại bỏ các ion kim loại trong nước [11, 19, 20, 31, 32, 35, 40, 41, 45]. 1 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Xuất phát từ những lý do trên, việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu compozit dùng cacbon cấu trúc nano và polyme để hấp phụ ion Cd2+ và Pb2+trong nước sông hồ” là cần thiết nhằm mục tiêu: Tổng hợp vật liệu compozit dùng cacbon cấu trúc nano và polyme để hấp phụ ion Cd2+ và Pb2+; Đánh giá hiệu quả hấp phụ kim loại nặng của vật liệu tổng hợp.
Để đạt được mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu chính của luận văn gồm: Tổng hợp và khảo sát các đặc trưng của vật liệu graphit biến tính, GO, PPy và nanocompozit GO – PPy dùng để hấp phụ ion Cd2+ và Pb2+. Ảnh hưởng của các điều kiện hấp phụ như pH, khối lượng vật liệu, thời gian hấp phụ, nồng độ ion kim loại ban đầu đến quá trình hấp phụ. Xác định các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ, động học đối với quá trình hấp phụ ion Cd2+ và Pb2+ trên vật liệu nanocompozit. Đánh giá khả năng ứng dụng vật liệu nanocompozit GO – PPy hấp phụ ion kim loại trong mẫu nước sông, hồ.
2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1. Tổng quan về ô nhiễm cadimi và chì trong môi trƣờng nƣớc 1. Hiện trạng ô nhiễm Ô nhiễm kim loại nặng chủ yếu là do các hoạt động của con người như quá trình khai khoáng, từ hoạt động nông nghiệp, nước thải từ các khu công nghiệp và đô thị,… Trong môi trường nước, một phần kim loại bị hòa tan, một phần hấp phụ lên các hạt lơ lửng. Các hạt lơ lửng này lắng xuống đáy hồ và cửa sông tạo thành trầm tích.
Quá trình hòa tan của các kim loại vết trong nước bề mặt chủ yếu được kiểm soát bởi pH, các dạng tồn tại và nồng độ của các hạt mà kim loại có thể hấp phụ, trạng thái oxy hóa của các thành phần trong nước và điều kiện oxy hóa khử của môi trường. Trên thế giới Ô nhiễm kim loại trong nước mặt đã gia tăng trong những năm gần đây do sự gia tăng dân số và sự phát triển công nghiệp, đe dọa đến đời sống của sinh vật thủy sinh, gây nguy cơ cho sức khỏe con người. Để nghiên cứu đánh giá sự ô nhiễm kim loại nặng trong nước bề mặt và nước ngầm ở một số vùng của huyện Jalgaon (Maharashtra, Ấn Độ), 64 mẫu nước từ các sông, suối, giếng khoan và giếng ngầm trong khu vực được lấy và phân tích các kim loại nặng: Fe, Cr, Cu, Ni, Zn, Mn và Pb có trong mẫu bằng phương pháp AAS. Dữ liệu phân tích cho thấy có sự ô nhiễm kim loại, nồng độ các kim loại đều vượt quá quy định của và WHO (2004).
Sự ô nhiễm này là do việc xả nước thải công nghiệp và đô thị, quá trình xử lý chất thải rắn bằng cách chôn lấp và một số hoạt động khác của con người trong vùng này [14]. Saeed và Ibrahim M. Hồ Manzala là nơi có nồng độ cao nhất của hầu hết các kim loại trong nghiên cứu. Trong nước, hàm lượng Fe, Mn, Cd, Pb ở hồ Manzala và Mn, Pb ở hồ Borollus 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com vượt giới hạn cho phép.
Trong các mẫu trầm tích, hàm lượng Mn (ở hồ Edku) và Cd (ở hồ Manzala) cao hơn so với giá trị hướng dẫn. Mang cá và gan là nơi có hàm lượng cao nhất của hầu hết các kim loại, thịt cá là nơi tích lũy sinh học cuối cùng. Kết quả phân tích cho thấy trong cá sông Nin có chứa Cd và Pb ở mức độ cao, vì vậy, có thể gây nguy cơ đến sức khỏe con người thông qua chuỗi thức ăn [26]. Ở Việt Nam Việt Nam là một nước đang phát triển, quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ đã góp phần đáng kể trong việc phát triển nền kinh tế của đất nước nhưng cùng với sự phát triển đó các vấn đề về môi trường chưa được quan tâm nên tình trạng ô nhiễm kim loại nặng diễn ra ngày một tăng cao.
Ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam chủ yếu diễn ra ở khu công nghiệp, khu đô thị, khu khai thác khoáng sản. Theo báo cáo môi trường quốc gia 2011 có tới 90% số doanh nghiệp không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn chất lượng dòng xả nước thải xả ra môi trường, 73% số doanh nghiệp xả nước thải không đạt tiêu chuẩn, do không có các công trình và thiết bị xử lý nước thải. Giá trị giới hạn của Cd và Pb trong nƣớc mặt Giá trị giới hạn Thông số Đơn vị A B A1 A2 B1 B2 Cadimi (Cd) mg/l 0,005 0,005 0,01 0,01 Chì (Pb) mg/l 0,02 0,02 0,05 0,05 Năm 2009, các tác giả Nguyễn Văn Khánh, Phạm Văn Hiệp [2] khi nghiên cứu sự tích lũy kim loại nặng cadimi và chì của loài hến Corbicula sp. tại vùng cửa sông thành phố Đà Nẵng.
Với thực tế phát triển công nghiệp mạnh mẽ trong nhiều năm trở lại đây tại Đà Nẵng thì nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng của thủy vực này rất cao. Thực tế là từ phân tích ANOVA cho thấy hàm lượng Cd tại khu vực sông Hàn là 2,66 ± 1,55 ppm, cao hơn và khác nhau so với khu vực cửa sông Cu Đê: 1,41 ± 0,75 ppm (với giá trị α = 0,05). 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nồng độ các kim loại nặng trong nước sông Nhuệ (ở nông thôn/ngoại thành) và một trong các nhánh của nó là sông Tô Lịch (ở đô thị/nội thành) tại Hà Nội đã được quan trắc, đánh giá sự thay đổi thành phần theo không gian và thời gian bằng phép đo các thành phần chính và phân tích cục bộ. Hàm lượng các kim loại nặng này thông thường thấp hơn tiêu chuẩn chất lượng nước bề mặt ở Việt Nam, tuy nhiên lại cao hơn so với giá trị trung bình quy định trong nước ngọt của thế giới: đối với sông Nhuệ là 0,42-43 lần và sông Tô Lịch là 0,13-32 lần.
Kết quả phân tích cho thấy có sự khác nhau về thành phần và nồng độ các kim loại nặng giữa hai sông [23]. Nguyễn Công Vinh và cộng sự (2012) nghiên cứu nước bề mặt và đất ở khu vực Lâm Thao, Phú Thọ (Việt Nam) [36]. Kết quả cho thấy có sự ô nhiễm đáng kể do nước thải từ các ngành công nghiệp. Các thông số: DO, COD, BOD5 trong nước bề mặt bị ảnh hưởng mạnh bởi các chất thải.
Các cánh đồng lúa trong các khu công nghiệp bị tăng nguy cơ ô nhiễm các kim loại nặng với nồng độ vượt quá nồng độ tối đa cho phép của Việt Nam (MACs) đối với Cu, Zn, Cd và Pb. Đất bị ô nhiễm kim loại nặng dẫn đến hàm lượng cao của các kim loại nặng trong gạo. Khi tiêu thụ lương thực được sản xuất tại vùng bị ô nhiễm có thể gây nguy cơ đến sức khỏe cộng đồng. Phân tích đánh giá hàm lượng kim loại nặng tại hồ Trúc Bạch và Thanh Nhàn (Hà Nội) cho thấy cả hai hồ đều bị ô nhiễm kim loại Cu và Pb và có sự tích lũy ca hàm lượng các kim loại nặng Cu, Pb và Cd trong các nhóm động vật nổi và thực vật nổi [6].
Tác động đến môi trường và sức khỏe con người Cadimi và chì được sử dụng rộng rãi do có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Ô nhiễm nước bởi các kim loại này gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái và sức khỏe con người. 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Đặc điểm nguyên tử của cadimi và chì Năng lượng Bán kính Nguyên Số hiệu Nguyên Cấu hình Thế điện ion hóa thứ nguyên tử, tố nguyên tử tử khối e hóa trị cực, V nhất, eV Å Cd 48 112,41 4d105s2 8,99 1,56 -0,402 Pb 82 207,2 6s26p2 7,42 1,75 - 0,126 Cadimi là kim loại thuộc nhóm IIB, được phát hiện vào năm 1817 bởi nhà khoa học người Đức.
Đây là kim loại màu trắng bạc, mềm, dễ dát mỏng và dễ mất ánh kim trong môi trường không khí ẩm do tạo màng oxit. Trong tự nhiên, Cd có 8 đồng vị bền tuy nhiên lại là nguyên tố kém phổ biến. Trạng thái bền trong môi trường là Cd2+.