CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về kim loại nặng 1. Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng và ảnh hưởng của nó đối với môi trường a. Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng Kim loại nặng trong môi trường được tạo ra từ hai nguồn chủ yếu là nguồn tự nhiên (các hoạt động của núi lửa, lắng đọng từ khí quyển, sự phong hóa của đá mẹ và khoáng vật,…) và nguồn nhân tạo (hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, khai khoáng, giao thông…).
Con người là nguyên nhân chủ yếu làm tăng hàm lượng kim loại nặng trong môi trường do quá trình phát thải nước thải độc hại không xử lý hoặc xử lý không đạt yêu cầu. Một số nơi ô nhiễm KLN thường gặp là ở các lưu vực nước gần các khu công nghiệp, làng nghề và khu vực khai thác khoáng sản. Khu công nghiệp: Các quá trình sản xuất công nghiệp, quá trình khai khoáng, quá trình tinh chế quặng, kim loại, sản xuất kim loại thành phẩm. là các nguồn chính gây ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước.
Thêm vào đó, các hợp chất của kim loại nặng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác như thuộc da, cao su, dệt, giấy, luyện kim, mạ điện,. cũng là nguồn đáng kể gây ô nhiễm kim loại nặng. • Nguồn phát sinh Crôm: Crôm nói chung được biết đến trong các sản phẩm mạ crôm. Hầu hết, các quặng crôm sản xuất được sử dụng trong sản xuất thép không rỉ.
Tuy nhiên, crôm kim loại là chất không độc hại, chỉ các hợp chất của crôm dưới dạng ion Cr3+, Cr6+ mới có độc tính. Trong môi trường nước, crôm chủ yếu xuất hiện dưới dạng Cr3+, Cr6+. Trong đó, Cr6+ xuất hiện trong nước thải dưới dạng các hợp chất CrO 4 2- (pH >7) và Cr 2 O 7 2- (pH≤ 7). Các hợp chất của crôm được thêm vào nước làm lạnh để ngăn chặn sự ăn mòn.
Chúng được sử dụng trong các quá trình sản xuất như: - Tạo màu, nhuộm - Điện cực nhôm và các quá trình mạ kim loại và mạ điện khác - Trong các ngành công nghiệp hóa chất 5 Trong các ngành công nghiệp thì ngành sản xuất ôtô cần nhiều các sản phẩm mạ crôm nhất. Nguồn gốc chính gây ô nhiễm crôm trong môi trường là việc thải các hợp chất crôm được sử dụng trong quá trình mạ. Cr3+ xuất hiện trong nước thải phần lớn là do quá trình khử Cr6+ trong nước thải công nghiệp. Tuy nhiên, trong các nước thải mạ vẫn có chứa Cr3+ kể cả khi chưa khử.
• Nguồn phát sinh Niken: Nước thải chứa niken chủ yếu có nguồn gốc từ nước thải mạ điện, trong công nghiệp mạ điện niken thường tồn tại chủ yếu dưới dạng muối niken sunfat, clorua, hay citrat. Ngoài ra Niken còn có trong một số các ngành công nghiệp sau: - Công nghiệp sản xuất pin, ắc quy - Công nghiệp luyện kim - Công nghiệp dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ Đặc biệt, trong các công nghiệp sản xuất hợp kim có chứa niken, theo thống kê trên thế giới thì có tới 75% niken được sản xuất là từ các sản phẩm hợp kim như hợp kim thép, hợp kim đồng - niken, niken kim loại và các hợp kim khác. Khu vực khai thác khoáng sản Nước thải từ các khu mỏ khai thác và chế biến khoáng sản thường có khối lượng lớn, chứa nhiều chất ô nhiễm như As, NH 4 +, Pb, Fe, Cr, Zn, NO 3 -, Mn,. Nước thải này thường không được xử lý, xả thẳng ra môi trường nên đã tác động xấu tới môi trường đất, nước mặt và nước ngầm.
Các nguồn gây ô nhiễm nước từ các hoạt động khai thác khoáng sản thường là: - Nước thải mỏ (nước ngấm vào mỏ trong quá trình khai thác). - Các khu vực bãi thải và bãi chôn lấp chất thải. - Các dòng chảy mang theo chất bẩn từ các tuyến đường vận tải. - Quá trình tuyển khoáng.
- Nước chảy tràn từ các vùng khai thác và các công trường. Tính độc của các kim loại nặng trong nước không chỉ phụ thuộc vào nồng độ kim loại mà còn phụ thuộc vào các nhân tố khác như pH, độ cứng của nước, sự linh 6 động của kim loại, dạng tồn tại của kim loại… Sự ô nhiễm kim loại nặng trong nước thường gắn liền với dòng thải axit mỏ. Nồng độ của các kim loại nặng trong nước thải trên có hàm lượng cao. Các làng nghề tái chế kim loại: Đề tài nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào ô nhiễm kim loại nặng từ nước thải của các làng nghề cơ kim khí.
Để tìm hiểu về nguồn phát sinh kim loại nặng, sơ đồ dây chuyền công nghệ của công nghệ xi mạ, một trong những hoạt động chính gây ra ô nhiễm kim loại nặng ở làng nghề cơ kim khí là một nghiên cứu cần thiết: Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ mạ điện Nguyên liệu đầu vào: Kim loại từ chi tiết máy móc, vật dụng gia đình, lon nước ngọt, lon bia, sắt vụn, sắt thép phế liệu, đồng, pin ắc quy, lò xo, ống bơ, vỏ thùng sơn, hộp hóa chất, máy móc cũ, sắt gỉ… 7 Nhiên liệu sử dụng: Nhiên liệu chính được sử dụng là than và thường là than có chất lượng thấp, củi, dầu FO. Trong đó, than là nhiên liệu được sử dụng nhiều nhất. Ngoài ra, quá trình làm sạch sản phẩm bằng hóa học và điện hóa còn sử dụng một số hóa chất như H 2 SO 4 , HCl, NaOH… hay CN- trong quá trình mạ. Nhận xét: Dựa theo quy trình trên, ta nhận thấy đặc trưng của nước thải ngành mạ là chứa hàm lượng cao các KLN như Cr, Ni, Zn, Cu…tùy theo từng vật liệu mạ.
Ảnh hưởng của kim loại nặng đến môi trường Ảnh hưởng đến môi trường: - Ảnh hưởng đến hệ sinh thái: Các thành phần kim loại nặng ảnh hưởng rất lớn tới quá trình sinh trưởng phát triển của người, động vật và thực vật. Với nồng độ KLN đủ lớn, sinh vật có thể bị chết hoặc bị thoái hoá, với nồng độ nhỏ có thể gây ngộ độc mãn tính hoặc tích tụ sinh học. - Ảnh hưởng trực tiếp đối với cá và thức ăn, đầu độc các sinh vật làm mất các nguồn phù du để nuôi cá, gây bệnh cho cá và biến đổi các tính chất hoá lý của nước. Khi phân tích thành phần cơ thể của sinh vật có tiếp xúc với nước thải chứa kim loại nặng, các nhà khoa học đã khẳng định hàm lượng cao của các kim loại nặng trong nước thải mạ điện đã ảnh hưởng xấu tới cả hệ sinh thái.
- Ảnh hưởng tới hệ thống cống thoát nước, nước ngầm, nước mặt. Nước thải công nghiệp có tính axit ăn mòn các đường ống dẫn bằng kim loại, bê tông. Mặt khác, do các quá trình xà phòng hoá tạo thành váng ngăn của quá trình thoát nước, làm giảm sự thâm nhập của oxi không khí vào nước thải, cản trở quá trình tự làm sạch. Các ion kim loại nặng khi thâm nhập vào bùn trong các mương thoát nước còn ức chế hoạt động của các vi sinh vật kị khí làm mất khả năng hoạt hoá của bùn.
- Ô nhiễm nước ngầm và nước bề mặt có thể xảy ra do quá trình ngấm và chảy tràn của nước thải mạ điện. Ngoài ra, nó còn ảnh hưởng tới chất lượng sản suất 8 như: làm giảm năng suất nuôi trồng, làm hỏng đất, giảm chất lượng sản phẩm, biến đổi đến hệ sinh vật, tăng mầm bệnh [7, 21]. Ảnh hưởng đến sức khỏe con người: Các ion kim loại nặng Pt, Cu, Cr, Ni. có thể gây bệnh viêm loét dạ dày, viêm đường hô hấp, bệnh ezima, ung thư.
Có 4 loại bệnh có tỷ lệ mắc cao tại nhóm làng nghề cơ kim khí, tái chế kim loại là bệnh phổi thông thường, bệnh tiêu hóa, bệnh về mắt và phụ khoa, bệnh ung thư phổi (0,35÷1%) và lao phổi (0,4÷0,6%). Tại 7 điểm nghiên cứu, các nhà khoa học cho thấy đều xuất hiện các trường hợp ung thư phổi, tỷ lệ mắc ung thư và chết cao nhất là ở làng nghề Vân Chàng và Tống Xá (Nam Định). Người lao động thì tiếp xúc trực tiếp khi làm việc, người dân xung quanh thì chịu ảnh hưởng do khói, khí thải, nước thải phát sinh từ các cơ sở. Người dân tại các làng nghề tái chế kim loại cho biết, nếu rửa tay bằng nước mưa trên mái nhà đổ xuống thì 15 phút sau da sẽ bị phồng rộp do axit xút ăn da và kim loại nặng ngấm vào.
Không khí xung quanh thì ngột ngạt và khó thở. Khói xông vào mắt gây cay mắt, nhiều người phải đeo khẩu trang đi ngủ do mùi phát ra từ các cơ sở sản xuất. Không chỉ có vậy, nhiều phụ nữ sinh non hoặc con chết yểu, đặc biệt là các ca đẻ quái thai có chiều hướng tăng lên trong những năm gần đây. Tuổi thọ trung bình của người dân tại làng nghề cũng thấp hơn nhiều so với tuổi thọ trung bình cả nước.
Trẻ em cũng chậm lớn hơn so với nơi khác… Từ những dẫn chứng trên có thể thấy, sự ảnh hưởng nghiêm trọng của ô nhiễm kim loại nặng tại làng nghề đến sức khỏe người dân cũng như với môi trường tại địa phương. Chúng ta cần đưa ra biện pháp khắc phục tình trạng trên, đảm bảo sức khỏe cho người dân, bảo vệ môi trường, thực hiện mục tiêu phát triển bền vững. • Ảnh hưởng của crôm: Crôm có số thứ tự 24, thuộc phân nhóm phụ nhóm VI trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Crôm là kim loại nặng màu trắng bạc có ánh xanh, độ cứng rất 9 cao chịu mài mòn tốt.
Trọng lượng nguyên tử 52,01. Nhiệt độ nóng chảy 1750 ÷ 1800oC. Trong tự nhiên crôm có nhiều trong khoáng vật Cromit (FeCrO 3 ), trong một số loại đá xe cpentin (1800mg/kg) đá granit (5mg/l). Trong đất crôm có hàm lượng thấp (2 ÷ 6 mg/l).
Trong nước crôm thường ở dạng Cr3+ và Cr6+, nhưng Cr3+ thường gặp hơn. Nguồn gốc của chúng là từ chất thải công nghiệp như: công nghiệp mạ, sơn, đốt nhiên liệu hoá thạch, thuộc da.Với nồng độ 0,1mg/l crôm đã có tác động xấu đến các vi sinh vật trong nước, trong khoảng nồng độ 0,03 ÷ 0,32mg/l chúng kìm hãm sự phát triển của tảo. Cr3+ cần thiết cho cơ thể nếu thiếu nó sẽ không chuyển hoá được đường glucô và rối loạn một vài quá trình trao đổi chất khác. Mức độ an toàn phải dùng tối thiểu là 0,05 ÷ 0,2mg/l.
Cr6+ có tính độc cao (hơn 100 lần so với Cr3+). Nguy hiểm hơn là khả năng hấp thụ Cr6+ của con người cũng tốt hơn Cr3+. Cr6+ gây độc cho gan, thận, tim, rối loạn hô hấp. Nếu nhiễm độc mãn tính có thể gây viêm da, loét da.