CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Vấn đề môi trường hiện nay Khoảng 71% với 361 triệu km2 bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước. Nước là dạng vật chất rất cần cho tất cả các sinh vật sống trên trái đất. Người ta phát hiện khoảng 80% loại bệnh tật của con người có liên quan đến chất lượng của nguồn dùng cho sinh hoạt.
Vì vậy chất lượng nước có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp bảo vệ và chăm sóc sức khỏe cộng đồng. Ở nước ta có ba nguồn nước chính được người dân sử dụng, đó là: nguồn nước từ sông hồ, giếng khoan; nguồn nước mưa và nước đã qua xử lý tại các nhà máy (hay còn gọi là nước máy). Qúa trình phát triển công nghiệp, nông nghiệp và dich vụ như y tế, du lịch, thương mại,. ở nước ta hiện nay đã làm cho môi trường ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là sự hiện diện của các ion kim loại trong môi trường nước.
Sự tích tụ kim loại nặng sẽ ảnh hưởng đến đời sống của các sinh vật thủy sinh, đồng thời ảnh hưởng đến sức khỏe con người thông qua chuỗi thức ăn. Những năm gần đây, ảnh hưởng nghiêm trọng của As đối với sức khỏe con người cũng đã được báo cáo ở Ấn Độ, Trung Quốc, Bangladesh. Ước tính có đến hàng triệu người có nguy cơ bị ngộ độc do ngộ độc As. Việt Nam có khoảng 10 triệu người ở đồng bằng sông Hồng, 500 ngàn đến 1 triệu người ở đồng bằng sông Cửu Long bị ngộ độc mãn tính do uống nước giếng khoang có chứa As (Berg et al.
Tương tự, sự tích tụ Cd trong gan và thận của động vật chăn thả ăn cỏ ở Úc và New Zealand gây ảnh hưởng đến tiêu thụ sản phẩm thịt trong nước và xuất khẩu ra nước ngoài (McLaughlin et al. Ngoài ra, các ion kim loại gây ra độ cứng Ca2+, Mg2+,…) cũng sẽ bị hòa tan trôi theo dòng nước và làm tăng độ cứng trong nước khi nước khi đi qua các lớp đất đá, các lớp đá vôi, trầm tích. Tổ chức Y Tế Thế Giới (WHO) cho biết rằng không xuất hiện bất kỳ bằng chứng nào thuyết phục cho rằng độ cứng của nước gây tác dụng có hại cho sức khỏe con người. Nước cứng chỉ làm thay đổi màu sắc và hương vị của thức ăn, đồ uống được chế biến và gây mảng bám vào các dụng cụ thiết bị nhà bếp, thiết bị vệ sinh.
Trong sản xuất công nghiệp, những thiết bị nồi hơi, đường ống nếu sử dụng nước cứng sẽ tạo thành lớp muối cacbonat trên bề mặt của thiết bị làm giảm khả năng dẫn, truyền nhiệt. Thậm chí nguy hiểm hơn khi những lớp cacbonat này lấp kín những van an toàn dễ gây đến việc hệ thống quá tải và bị nổ. 5 Luan van Trên thế giới tình hình ô nhiễm kim loại nặng (KLN) không chỉ diễn ra ở các nước phát triển mà cả những nước đang phát triển và ngày càng diễn biến theo chiều hướng xấu. Kim loại nặng như Cr (III), Ni (II), Cd (II), Zn (II), Pb (II) và Cu (II) là các chất ô nhiễm nguy hại và tồn tại với nồng độ cao tại các khu vực có con người tham gia sản xuất.
Nồng độ cao hơn vài lần ở các mẫu nước sông Swan hạ lưu của Tam giác Công nghiệp Kahuta so với thượng nguồn. Nồng độ kim loại nặng trong đất từ khu vực hạ lưu là 149% đối với Cr, 131% đối với Ni, 176% đối với Cd, 139% đối với Zn, 224% đối với Pb và 182% đối với Cu khi so sánh với mẫu từ thượng nguồn (Perveen et al. Ô nhiễm KLN ở Việt Nam chủ yếu diễn ra ở các khu công nghiệp, khu đô thị, khu khai thác khoáng sản. Theo Báo cáo môi trường quốc gia năm 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% không có các công trình và thiết bị xử lý nước thải.
Thành phần nước thải chứa hàm lượng lớn các KLN như Cd, Cu, Fe, Zn, Cr,… Có rất nhiều phương pháp để xử lý nước thải chứa kim loại nặng như các phương pháp hóa học, hóa lý hay sinh học. Song kim loại nặng thường là phát sinh từ các nguồn nhất định, do vậy cách tốt nhất là ta xử lý ngay tại nguồn gây ô nhiễm. Tại các nhà máy mà nước thải có chứa hàm lượng kim loại nặng vượt quá chuẩn cho phép thì cần áp dụng các quá trình xử lý nhằm loại bỏ kim loại nặng trước khi thải vào môi trường.2 Các phương pháp xử lý độ cứng và kim loại nặng 1.1 Phương pháp lý – hóa Kỹ thuật tách vật lý chủ yếu áp dụng đối với kim loại dạng hạt, rời rạc. Phương pháp này bao gồm sàng lọc cơ học, tuyển nổi, tách từ, tách tĩnh điện… Hiệu quả của việc tách vật lý phụ thuộc vào đặc tính khác nhau như phân bố kích thước hạt, hình dạng hạt, độ ẩm, mật độ kim loại chất gây ô nhiễm và các đặc tính kỵ nước của bề mặt hạt.
Quá trình hóa học thông thường để loại bỏ các kim loại nặng trong nước thải bao gồm nhiều quá trình như tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, và lắng đọng điện hóa.2 Phương pháp dùng hóa chất kết tủa 6 Luan van Kết tủa hóa học là một trong những phương pháp sử dụng rộng rãi nhất để loại bỏ kim loại nặng từ nước thải vô cơ trong ngành công nghiệp do nguyên lý hoạt động đơn giản của nó. Các quá trình kết tủa hóa học thông thường sản sinh ra kết tủa không tan của kim loại nặng như hydroxide, sulfide, carbonat và phosphate. Quá trình kết tủa kim loại không tan từ phản ứng của các kim loại hòa tan trong dung dịch và chất kết tủa. Các chất kết tủa được châm vào hòa tan trong nước liên kết với các hạt rất mịn trong nước khi kích thước hạt tăng dần chúng sẽ được loại bỏ như bùn.
Khi các kim loại kết tủa có nồng độ thấp ở dạng rắn, chúng sẽ dễ dàng được loại bỏ. Tỷ lệ loại bỏ các ion kim loại trong dung dịch có thể được cải thiện tối ưu bằng cách thay đổi các thông số chính như độ pH, nhiệt độ, nồng độ ban đầu… Các kỹ thuật kết tủa thường được sử dụng nhất là dùng nhóm hydroxit do đơn giản, chi phí thấp của chất kết tủa (vôi), và dễ dàng kiểm soát pH. Tính tan của nhóm hydroxit kim loại khác nhau có pH trong khoảng từ 8. Trong khử cứng áp dụng phương pháp xử lý bằng hóa chất với mục đích kết hợp các ion Ca2+ và Mg2+ hòa tan trong nước thành các hóa chất không tan dễ lắng và lọc.
Các hóa chất thường dùng để làm mềm nước là vôi, soda Na2CO3, xút NaOH, bari hydroxit Ba(OH)2, natri photphat Na3PO4.3 Phương pháp keo tụ - tạo bông Xử lý bằng phương pháp keo tụ là cho vào nước một loại hóa chất gọi là chất keo tụ có thể đủ làm cho các hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn và lắng xuống. Thông thường quá trình keo tụ tạo bông xảy ra qua hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Bản thân chất keo tụ phát sinh thủy phân, quá trình hình thành dung dịch keo và ngưng tụ. Giai đoạn 2: Trung hòa, khử trùng, lọc các tạp chất trong nước. Polymer hữu cơ được thêm vào nhằm nâng hiệu suất của quá trình này.
Sau khi các cặn trong nước kết dính thành các bông cặn lớn, chúng sẽ lắng xuống và được loại bỏ 1.4 Phương pháp điện hóa 7 Luan van Phục hồi điện phân là một trong những công nghệ được sử dụng để loại bỏ các kim loại từ các dòng nước thải. Quá trình này sử dụng điện để chạy qua dung dịch nước có chứa một tấm cathode và anode không hòa tan. Điện có thể được tạo ra bởi chuyển động của các electron từ một phần tử này đến phần tử khác. Quá trình điện hóa nhằm xử lý nước thải chứa kim loại nặng bằng cách kết tủa các kim loại nặng trong một axit yếu hoặc trung hòa catholyte như hydroxit.
Phương pháp điện hóa liên quan đến điện tích tụ, đốt điện, điện nổi và electro-oxy hóa. Quá trình điện – keo tụ chất kết tủa được tạo ra tại chỗ bằng cách oxy hóa điện của một vật liệu cực dương thích hợp. Trong quá trình này, ion kim loại tích điện được loại bỏ bằng cách cho phép nó phản ứng với anion trong nước thải. Quá trình này được đặc trưng bởi giảm sản sinh bùn, không có nhu cầu sử dụng hóa chất và dễ vận hành.5 Màng lọc Màng lọc đã nhận được sự chú ý đáng kể trong lĩnh vực xử lý nước thải vô cơ.
Nó có khả năng loại bỏ các chất rắn lơ lửng kích thước nhỏ, các hợp chất hữu cơ và các chất ô nhiễm vô cơ như kim loại nặng. Tùy thuộc vào kích thước của các hạt có thể được giữ lại, các loại màng lọc như siêu lọc, lọc nano và thẩm thấu ngược có thể được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng từ nước thải. Các loại màng lọc trên thị trường hiện nay như: Microfiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF), màng lọc thẩm thấu ngược (RO),… 1.6 Phương pháp trao đổi ion Trao đổi ion là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp xử lý nước. Là một phương pháp hiệu quả về chi phí, quá trình trao đổi ion thường liên quan đến vật liệu chi phí thấp và vận hành dễ dàng và nó đã được chứng minh là rất hiệu quả để loại bỏ các kim loại nặng trong môi trường nước, đặc biệt là xử lý nước với nồng độ kim loại thấp.
Cơ sở của phương pháp này là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hóa học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn. Trao đổi ion là quá trình gồm các phản ứng hóa học đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (nhựa trao đổi). Sự ưu tiên hấp thu của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chỗ các ion trên khung mang 8 Luan van của nhựa trao đổi. Qúa trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau.
Các ion tích điện dương trong các loại nhựa cation như các ion hydro và natri được trao đổi với các ion tích điện dương, chẳng hạn như các ion niken, đồng và kẽm. Tương tự như vậy, các ion âm trong các loại nhựa như các ion hydroxyl và clorua có thể được thay thế bởi các ion mang điện tích âm như cromat, sunfat, nitrat, xianua và carbon hữu cơ hòa tan (DOC).