CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa đã mang lại những thành tựu to lớn cho sự phát triển và hội nhập của đất nước. Các ngành công nghiệp nói chung và ngành xi mạ nói riêng đều đang phát triển một cách nhanh chóng, góp phần quan trọng trong phát triển kinh tế, xã hội, nâng cao đời sống cả về vật chất và tinh thần cho nhân dân. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích to lớn đó, hoạt động bừa bãi và thiếu an toàn của các ngành công nghiệp hiện nay đã và đang gây ra những tác động tiêu cực, ảnh hưởng lâu dài đến chất lượng môi trường tự nhiên và sức khỏe con người.
Hằng năm một lượng lớn nước thải chứa các ion kim loại nặng từ các nhà máy xi mạ được thải ra môi trường. Hầu hết lượng nước thải độc hại này chưa được xử lý hoặc chỉ trải qua quá trình xử lý không triệt để. Do đó, việc xả thải trực tiếp nước thải phát sinh từ các nhà máy xi mạ không những gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của cư dân thuộc các khu vực lân cận mà còn tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và chất lượng môi trường, đặc biệt là các nguồn nước. Khi ở nồng độ rất nhỏ, hầu hết các kim loại nặng đều là những nguyên tố vi lượng cần thiết cho hoạt động sống và sự phát triển của các sinh vật.
Tuy nhiên, khi ở hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép, các kim loại nặng sẽ thể hiện độc tính lớn và có thể gây ra những tác động gây nguy hại đến sức khỏe con người và các sinh vật bị phơi nhiễm. Kẽm (Zn) từ lâu đã được coi là một trong những kim loại nặng được sử dụng phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong các hoạt động khai khác khoáng sản, cũng như các ngành công nghiệp quan trọng như mạ điện, sản xuất pin và chế tạo hợp kim. Theo nghiên cứu của Mukesh Parmar & Lokendra Singh Thakur (2013), công nghiệp mạ điện và gia công kim loại gây phát sinh một lượng lớn nước thải chứa kim loại nặng, đặc biệt là ion kim loại kẽm (Zn2+), ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống thủy sinh và sức khỏe con người. Các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng kim loại này không thể phân hủy, và do đó kẽm có thể tồn tại lâu dài trong môi trường, cũng như trong cơ thể sinh vật sống.
Từ đó, về lâu dài, có thể dẫn tới những chứng bệnh từ đau dạ dày, kích ứng da, buồn nôn, cho đến các bệnh nghiêm trọng như thiếu máu, ngộ độc hệ thần kinh, ung thư đột biến. Trong nhiều thập kỷ qua, vật liệu sinh học đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhằm loại bỏ các chất ô nhiễm trong nguồn nước. Với ưu điểm thân thiện môi trường, giá thành rẻ và hiệu quả cao, đây đã và đang được coi là hướng đi tiềm năng và bền vững trong xây dựng, phát triển và cải tiến các quy trình xử lý nước thải theo định hướng nâng cao tính thân thiện với môi trường. Trên cơ sở đã nêu, đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu than vỏ hạt Mắc-ca kết hợp từ tính sắt ứng dụng xử lý kim loại nặng trong nước” được đề xuất và nghiên cứu.
Mục tiêu đề tài - Điều chế than hoạt tính kết hợp từ tính sắt từ phế phẩm hạt Mắc-ca bằng các tác nhân hóa học; - Khảo sát khả năng xử lý kẽm trong nước thải giả định của than hoạt tính sinh học. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm: - Nước thải giả định chứa ion Zn2+ - Vật liệu sinh học - than hoạt tính kết hợp với vật liệu từ tính oxit sắt Fe3O4 điều chế từ phế phẩm hạt Mắc-ca bằng các tác nhân hóa học. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Viện Phát Triển Ứng Dụng, trường Đại học Thủ Dầu Một, Bình Dương.
Ý nghĩa của đề tài 1. Ý nghĩa khoa học Kết quả thực hiện của đề tài đã chứng tỏ việc ứng dụng than hoạt tính trong xử lý hàm lượng ion kẽm trong nước thải giả định là rất khả quan và là cơ sở khoa học quan trọng để triển khai trong xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng thực tế. Ý nghĩa thực tiễn - Góp phần giải quyết được các vấn đề ô nhiễm kim loại nặng độc hại trong nước thải hiện nay; - Các công nghệ xử lý nước thải sử dụng các dạng vật liệu và hóa chất truyền thống dù mang lại hiệu quả cao nhưng lại tiềm ẩn nguy cơ gây phát sinh ô nhiễm thứ cấp. Do đó, sử dụng các dạng vật liệu sinh học như than hoạt tính trong quy trình xử lý nước thải có ý nghĩa lớn trong bảo vệ môi trường.
Đồng thời, đây cũng là giải pháp hiệu quả giúp giải quyết lượng lớn chất thải rắn phát sinh trong sản xuất các sản phẩm nông nghiệp như nhân hạt Mắc-ca. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Tổng quan về kim loại kẽm Sự phát triển và tăng trưởng không ngừng của các hoạt động công nghiệp cũng như mức độ dân số trên toàn thế giới đã và đang gây ra sự ô nhiễm và suy giảm chất lượng nguồn nước một cách báo động [1]. Cụ thể, nhu cầu phát triển và ứng dụng của nhiều loại hóa chất và chế phẩm công nghiệp ngày càng trở nên phổ biến, điều này tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm các nguồn nước hiện hữu.
Ô nhiễm nguồn nước từ lâu đã được coi là một thực trạng nhức nhối và là một trong những thách thức mang tính toàn cầu trong vấn đề bảo vệ môi trường. Đây được coi là nguyên nhân chính gây hư hỏng, nhiễm bẩn nhiều nguồn thực phẩm và nước uống, từ đó có thể gây ra những ảnh hưởng tức thời cũng như lâu dài đối với sức khỏe con người và các sinh vật sống sử dụng nguồn nước ô nhiễm [2]. Rất nhiều các chất gây ô nhiễm nguồn nước có bản chất là các hóa chất độc hại đã được báo cáo bao gồm các phẩm nhuộm, kháng sinh, kim loại nặng, phân bón hóa học và thuốc trừ sâu [1, 3]. Trong đó, các kim loại nặng tồn tại trong nước thải công nghiệp như niken (Ni), thủy ngân (Hg), chì (Pb), cadimi (Cd), kẽm (Zn), asen (As) và đồng (Cu) [4] tiềm ẩn nguy cơ cao gây nhiều ảnh hưởng nghiêm trọng đối với các hệ sinh thái, đặc biệt là hệ sinh thái dưới nước [5, 6].
Trong đó, tình trạng ô nhiễm gây ra bởi ion Zn2+ là một trong những vấn nạn lớn ảnh hưởng lâu dài và tiêu cực đến sức khỏe con người khi có thể là nhân tố chính gây ra những chứng bệnh đơn giản như đau dạ dày, kích ứng da, buồn nôn, cho đến các bệnh lý nghiêm trọng như thiếu máu, ngộ độc hệ thần kinh hoặc ung thư, đột biến. Tính chất và dạng tồn tại của Kẽm Ở dạng kim loại, kẽm có màu trắng bạc nhưng sẽ bị phủ một lớp oxit mỏng khi được bảo quản lâu trong điều kiện không khí có độ ẩm cao. Kẽm có khối lượng riêng bằng 7,13 g/cm3 cùng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi lần lượt là 419,5oC và 906oC. Ở nhiệt độ phòng, kim loại kẽm có tính giòn, nhưng ở khoảng nhiệt độ 100 – 150oC kẽm sẽ có tính dẻo và sẽ giòn trở lại nếu nhiệt độ môi trường đạt trên 200oC.
Thông thường, trong cơ thể của động vật hoặc thực vật có chứa hàm lượng rất nhỏ ion kẽm. Ví dụ, trong sò hến có khoảng 12%; trong cơ thể người có khoảng 0,001% và có nhiều ở răng, hệ thần kinh và tuyến sinh dục; trong đại dương, 1 L nước biển trung bình chứa khoảng 1.10-2 mg kẽm tồn tại ở dạng ion Zn2+ [7]. Ứng dụng và vai trò của Kẽm Cùng với các kim loại nặng khác, kẽm đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành mạ điện và quá trình sản xuất các loại hợp kim, và do đó cho phép sự có mặt của kim loại này trong môi trường [8]. Kẽm thường được sử dụng để mạ lên bề mặt các đồ dùng, thiết bị bằng sắt nhằm bảo vệ kim loại này khỏi sự ăn mòn.
Ngoài ra, trên bề mặt của lớp mạ còn được phủ thêm một lớp mỏng cacbonat bazơ (ZnCO3. Bên cạnh đó, kẽm còn được sử dụng để điều chế các dạng hợp kim như hợp kim với đồng. Đây cũng là nguyên liệu quan trọng trong quy trình sản xuất pin khô với cấu tạo gồm vỏ ngoài làm bằng kẽm, đồng thời là anot, và một trụ bằng than chì, đóng vai trò là catot. Ở một chừng mực nhất định, kẽm là một chất vi lượng thiết yếu đối với sự sống và sự phát triển của rất nhiều sinh vật.
Cụ thể, kẽm đóng vai trò chủ chốt đối với hệ miễn dịch cũng như đối với quá trình hình thành nhiều loại enzyme và protein thiết yếu của cơ thể sống. Kẽm còn có vai trò rất quan trọng đối với quá trình đồng hóa năng lượng cũng như trong sự chuyển hóa chất khi tham gia cấu tạo hoặc xúc tác cho sự tổng hợp của nhiều enzyme liên quan đến những quá trình trên [9]. Trong y học, một số hợp chất của kẽm như kẽm oxit còn được ứng dụng làm thuốc giảm đau dây thần kinh và thuốc chữa các bệnh ngoài da như eczema, mẩn ngứa,.hoặc kẽm sulfate được dùng làm thuốc gây nôn hoặc thuốc sát trùng [7]. Đặc biệt, thiếu kẽm ở người và động vật cũng được coi là một bệnh lý nghiêm trọng với những triệu chứng điển hình bao gồm biếng ăn, kém phát triển, dễ gặp những tổn thương về da, không phát triển giới tính cũng như khả năng nhận biết vị giác.
Độc tính của Kẽm Dù có vai trò nhất định trong sự hoạt động bình thường của cơ thể sinh vật sống, kẽm khi tồn tại trong các nguồn nước ở dạng hòa tan ở nồng độ cao (100 – 500 mg/ngày) có thể dẫn tới những vấn đề sức khỏe cực kì nguy hiểm đối với con người như co thắt dạ dày, kích ứng da, nôn mữa hoặc suy giảm hồng cầu [8, 10]. Bên cạnh đó, phơi nhiễm hoặc hấp thu kẽm trong một thời gian dài còn có thể gây trầm cảm, thờ ơ và các dấu hiệu thần kinh nguy hiểm như co giật, đồng thời gây mất điều hòa cơ thể và tăng khát [11]. Đối với các loài thủy sinh, nồng độ Zn2+ vào khoảng 0,3 mg/L sẽ gây chết đối với một số loài cá nước ngọt [12]. Do đó, WHO đã khuyến nghị nồng độ kẽm tối đa có thể chấp nhận được trong nước uống là 5,0 mg/L.