Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Tổng quan về kim loại cadimi và niken 1. Tổng quan chung về kim loại cadimi 1. Giới thiệu chung Trong vỏ trái đất cadimi (Cd) thường tồn tại dưới dạng khoáng vật như Grinolit (CdS), trong quặng Blende kẽm và Calanin có chứa khoảng 3% Cd.
Cadimi nguồn gốc tự nhiên là hỗn hợp của 6 đồng vị ổn định, trong đó có đồng vị 112Cd (24,07%) và 114Cd (28,86%). Cadimi dạng nguyên chất có màu trắng bạc nhưng trong không khí ẩm bị bao phủ bởi lớp màng oxit nên mất ánh kim, cadimi mềm, dễ nóng chảy, dẻo, có thể dát mỏng, kéo sợi được. Khi cháy cadimi cho ngọn lửa màu xẫm. Cadimi là nguyên tố tương đối hoạt động.
Trong không khí ẩm cadimi bền ở nhiệt độ thường do có màng oxit bảo vệ. Cadimi trong tự nhiên phần lớn tồn tại dưới dạng hợp chất, ít khi tồn tại ở dạng nguyên chất. Cadimi và hợp chất của nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: cadimi dùng trong công nghiệp mạ để chống ăn mòn, cadimi sunfit dùng trong công nghiệp chất dẻo, gốm sứ … hay cadimi stearat còn dùng như một chất làm bền PVC, cadimi phot pho dùng làm ống trong vô tuyến, làm đèn huỳnh quang, màn chắn tia X, ống phát tia catốt… 1. Nguồn đưa cadimi vào môi trường a.
Nguồn gốc tự nhiên Nguồn tự nhiên đưa Cd vào môi trường đất chủ yếu là từ đá mẹ. Ngoài ra có thể lắng đọng bụi núi lửa từ trong không khí. Theo nghiên cứu của tác giả Phạm Quang Hà, (2002) thì hàm lượng Cd ở đất xám trung bình là 0,47 mg/kg đất, trong đất phù sa trung bình là 0,82 mg/kg đất và trong đất đỏ hàm lượng Cd trung bình là 1,24 mg/kg đất. Theo tác giả Lê Văn Khoa (2007) thì trong đất phù sa thường có Cd < 1 mg/kg đất, đất đỏ bazan: Cd > 1 mg/kg đất, đất bạc màu: Cd = 0,05 - 0,5 mg/kg đất.
Nguồn gốc nhân tạo * Sản xuất nông nghiệp Trong các hoạt động sản xuất nông nghiệp việc sử dụng phân bón (đặc biệt là phân lân), thuốc bảo vệ thực vật và các chất kích thích sinh trưởng qua nhiều năm cũng gây nên sự tích luỹ Cd trong đất. Khoa Môi trường 3 Luận văn Thạc sĩ khoa học TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi và niken Bảng 1. Hàm lượng một số kim loại nặng trong các sản phẩm dùng trong nông nghiệp (mg/kg) [17] Kim Phân Phân Đá vôi Bùn thải Phân Nước Thuốc loại phốt pho nitơ chuồng tưới BVTV As 1-1200 2-120 0,1-24 2-30 <1-25 <10 3-30 Cd 0,1-190 <0,1-9 <0,05-0,1 2-3000 <0,1-0,8 <0,05 - Hg 0,01-2 0,3-3 - <1-56 <0,001-0,2 - - Pb 4-1000 2-120 20-1250 2-7000 0,4-16 <20 0,6-6 Nguồn: Fergusson E. (1990) Phân photphat chứa lượng Cd cao là nguồn gây ô nhiễm đất nông nghiệp.
Sự tập trung của Cd trong đất làm tăng từ 0,07mg/kg đến 10mg/kg Cd trên các mảnh đất màu mỡ, [17]. Sử dụng bùn thải của các ngành công nghiệp có chứa Cd bón cho đất cũng làm gia tăng hàm lượng kim loại này trong đất. Bùn thải chứa Cd trong chất bài tiết của con người, sản phẩm gia đình chứa Zn và chất thải từ công nghiệp. Hầu hết Cd đều tích lũy trong nước cống và được thải ra trong suốt quá trình xử lý bùn quánh.
Sự tập trung kim loại trong cống rãnh khác nhau rất cao do trình tự thay đổi liên tục của hợp chất và thể tích nước thải công nghiệp được thải vào cống. * Sản xuất công nghiệp và làng nghề: Cd xâm nhập vào đất từ nguồn chất thải và nước thải công nghiệp như sản xuất pin, phủ mạ kim loại, hợp kim, công nghiệp nhựa, công nghiệp điện tử, hàn, hạt nhân. Đất bị ảnh hưởng của chất thải công nghiệp đôi khi có hàm lượng Cd lên tới 1500mg/kg, [19]. Hoạt động của các làng nghề đúc kim loại cũng là nguồn đưa Cd vào trong đất, hàm lượng Cd trong đất phát hiện được tại Văn Môn (làng nghề đúc kim loại) trung bình là 1 mg/kg đất, dao động từ 0,3-1,3 mg/kg đất, thậm chí có những mẫu đất vườn có hàm lượng Cd đạt 3,1 mg/kg đất, [5].
* Sử dụng nước thải: Nước thải bao gồm: nước thải công nghiệp, nước mưa, nước chảy tràn đô thị và trên đất nông nghiệp, nước thải từ mỏ. Hàm lượng kim loại nặng trong các loại nước thải này khá cao. Hàm lượng Cd trong nước thải Khoa Môi trường 4 Luận văn Thạc sĩ khoa học TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi và niken đã qua xử lý ở New York được phát hiện có nguồn gốc từ các cơ sở mạ điện 33%, các khu dân cư 49%, dòng chảy tràn 12%, công nghiệp 6%. Hàm lượng một số kim loại nặng trong các loại nước thải [17] Kim loại Loại nước thải Địa điểm Hàm lượng (µg/g) Nước mưa Durham.MT 1,00-12,00 Pb Mỏ Nga 7.000 Nước cống thải Khu công nghiệp 100-500 Công nghiệp New York 3-20 (10) Cd Công nghiệp Tây Đức 220 Mỏ Nam Phi 6-52 Hg Công nghiệp Tây Đức 7 Nguồn: Ferguson E.
( 1990) * Hoạt động khai thác khoáng sản Cadimi tồn tại như một sản phẩm nấu chảy của quặng mỏ sunfua, ZnS, sphalente, wientzite, ZnCO3. Theo Alina Kabata – Pendias, công nghiệp khai khoáng phát thải vào môi trường 20.800 tấn Cd (1988) và 19. * Lắng đọng từ khí quyển Cadimi được sử dụng trong các ngành công nghiệp như làm tấm bảo vệ thép, trong các hợp kim, trong chất màu (nhựa, lớp men, tráng men), trong pin Ni-Cd. Cadmi phát thải vào khí quyển còn do việc đốt (xử lý) các rác thải chứa Cd như nhựa và pin, đốt nhiên liệu hóa thạch.
Mức tập trung bình thường của Cd trong khí quyển từ 1-50mg/m3, phụ thuộc vào các nguồn phát thải. Nồng độ Cd trong bầu khí quyển ở châu Âu là 1-6mg/m3 với khu vực nông thôn, 3,6-20mg/m3 với khu vực thành thị và 16,5-54mg/m3 với các khu công nghiệp. Trên phạm vi toàn thế giới, ước tính lượng lắng đọng Cd hàng năm là 5700 tấn. Giá trị lắng đọng (cả khô và ướt) điển hình của Châu Âu là 3g/ha/năm trên đất nông nghiệp.
Khoa Môi trường 5 Luận văn Thạc sĩ khoa học TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi và niken Bảng 3. Hàm lượng Cd trong không khí ở một số khu vực trên thế giới [14] Khu vực Cd (ng/m3) Nam Cực 0,015 Tây Đức 0,5 - 620 Nhật 0,5 - 43 Bắc Mỹ 1 - 41 Nguồn: Alina KaAbata – Pendias, 2001 1. Độc học môi trường của cadimi a. Độc tính của cadimi đối với con người [1], [4], [5], [6], [12] Cadimi được xếp vào hàng những kim loại độc nhất.
Khi Cd xâm nhập vào cơ thể nó làm mất hoạt tính của nhiều enzim do ion Cd 2+ có ái lực mạnh đối với các phân tử có chứa nhóm -SH và -SCH3 của các enzim. Nguyên nhân chủ yếu làm Cd có độc tính là do Cd đồng hình với Zn, nên nó có khả năng thay thế Zn trong một số enzim, từ đó gây nên rối loạn trao đổi chất khoáng, rối loạn trao đổi gluxit và rối loạn sinh tổng hợp protein. Trong cơ thể, Cd gắn với metalotionin tạo thành chất rất bền, Cd khó phân hủy trở lại, do đó sự thải loại chúng ra ngoài rất lâu. Tác hại của Cd đối với con người rất nghiêm trọng, trong đó phải kể đến bệnh huyết áp, suy thận, phá huỷ mô tinh hoàn và các tế bào hồng cầu.
Người ta đã khẳng định rằng những tác động sinh lý của Cd xuất phát từ sự tương đồng về hoá học của nó với kẽm. Đặc biệt là Cd có thể thay thế Zn trong một số enzym do đó làm biến đổi cấu hình enzym và làm suy yếu hoặc mất chức năng xúc tác của nó cùng triệu chứng rối loạn bên trong. Cd xâm nhập vào cơ thể con người thông qua nhiều con đường khác nhau như hô hấp, thức ăn, nước uống. Khi nhiễm độc Cd, con người có thể bị nôn mửa, tiêu chảy hoặc có thể bị co giật, các bệnh về xương, gan, thận, tim, mạch.
Với nồng độ Cd từ 0,25-0,5mg/kg khối lượng qua đường tiêu hoá đã có thể gây ra đau dạ dày và các bệnh đường ruột nghiêm trọng. Nếu hàm lượng Ca, Fe, protein thấp thì tỷ lệ tích tụ Cd cao hơn. Ở người có lượng Fe trong cơ thể thấp thì tỷ lệ hấp thụ trung bình Cd cao hơn 4 lần người bình thường và ở phụ nữ nguy cơ nhiễm Cd nhiều hơn so với nam giới. Cd khi xâm nhập vào cơ thể hầu hết được giữ lại ở thận và gây ảnh hưởng đến chức năng thẩm thấu của ống thận, làm tăng protein niệu, tăng β2 - Khoa Môi trường 6 Luận văn Thạc sĩ khoa học TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ô nhiễm cadimi và niken microglobulin niệu và huyết thanh, sau đó tăng creatinin huyết thanh, cuối cùng có thể ảnh hưởng đến axitamin, gluco và phốt phát.
Trong công nghiệp thực phẩm, Cd được coi là nguyên tố nguy hiểm nhất, khi hàm lượng Cd >15mg/kg thì thực phẩm được coi là nhiễm độc. Các hợp chất của Cd trong nước, không khí, trong dung dịch và trong thức ăn đều gây độc. Trong không khí, nồng độ Cd tối đa cho phép là 0,1mg/m3. Cd và hợp chất của nó được xếp vào nhóm có thể gây ung thư.
Cd là chất gây ung thư đường hô hấp khi người bị nhiễm độc Cd, tùy theo mức độ nhiễm sẽ gây ra ung thư phổi, thủng màng ngăn mũi, ung thư tuyến tiền liệt. Độc tính của Cd tới sinh vật đất [1], [4], [5], [6], [12] Cd trong đất có ảnh hưởng khá rõ nét đến quá trình sinh trưởng của một số chủng vi sinh vật có lợi, khi hàm lượng Cd trong đất ở ngưỡng 2,9mg/kg đất khô làm tổng số vi khuẩn và nấm bắt đầu giảm đáng kể, ở nồng độ 5mg/kg đất khô làm cho quá trình khoáng hoá giảm đến 39% và khi nồng độ 1000mg/kg đất khô quá trình nitơrat hoá giảm 60%. Cd trong đất được cây trồng hút lên và tích luỹ trong sinh khối, khi động vật ăn phải có thể bị ngộ độc Cd. Mức độ ảnh hưởng tuỳ thuộc vào loài và hàm lượng Cd tích luỹ trong thức ăn.
Qua một số kết quả nghiên cứu cho thấy ở động vật có vú và chim có thể bị ngộ độc Cd ở nồng độ 15-1350 mg/kg khối lượng cơ thể. Cd trong đất có đặc điểm khá linh động, có bán kính hydrát hóa giống với Zn, vì vậy cây trồng bị ngộ nhận với yếu tố dinh dưỡng Zn.