CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng 1. Giới thiệu sơ lược về các kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Kim loại nặng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thuỷ quyển (các muối hoà tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng) và sinh quyển (trong cơ thể con người, động thực vật).
Những kim loại này khi đi vào cơ thể động vật hoặc thực vật ngay cả ở dạng vết cũng có thể gây độc hại. Kim loại nặng có thể chia làm 4 nhóm chính dựa trên tầm quan trọng đối với sức khoẻ con người của chúng: + Kim loại cần thiết như Cu, Zn, Co, Cr, Mn và Fe. + Kim loại không cần thiết như Ba, Al, Li và Zr. + Kim loại ít độc hại như Sn, As.
+ Kim loại có tính độc cao như Hg, Cd và Pb. Trong môi trường không khí, kim loại nặng tồn tại ở dạng hơi kim loại. Các hơi kim loại này phần lớn là rất độc, có thể đi vào cơ thể con người và động vật qua đường hô hấp. Trong môi trường đất thì các kim loại nặng thường tồn tại ở dưới dạng kim loại nguyên chất, các khoáng kim loại hoặc các ion.
Và nó có thể đi vào cơ thể con người và động vật qua đường tiêu hoá khi người và động vật tiêu thụ các loại thực vật. Trong môi trường nước thì kim loại nặng tồn tại dưới dạng ion hoặc phức chất. Trong ba môi trường thì môi trường nước là môi trường có khả năng phát tán kim loại nặng đi xa nhất và rộng nhất. Kim loại nặng trong nước làm ô nhiễm cây trồng khi các cây trồng này được tưới bằng nguồn nước có chứa kim loại nặng hoặc đất trồng cây bị ô nhiễm bởi nguồn nước có chứa kim loại nặng đi qua nó.
Do đó, kim loại nặng trong môi trường nước có thể đi vào cơ thể con người thông qua con đường ăn, uống. Nguồn gốc và tác hại của nước nhiễm kim loại nặng đối với sức khỏe con người 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 quá trình tạo màu và nhuộm, ở các sản phẩm của thuộc da, cao su, dệt, giấy, luyện kim, mạ điện và nhiều ngành khác cũng là nguồn đáng kể 5 gây ô nhiễm kim loại nặng. Khác biệt so với nước thải ngành công nghiệp, nước thải sinh hoạt thường có chứa trong nó một lượng kim loại nhất định bởi quá trình tiếp xúc lâu dài với Cu, Zn hoặc Pb của đường ống hoặc bể chứa.
Sự tồn tại của kim loại nặng trong nước thải sinh hoạt còn do các tác nhân trong các mỹ phẩm dùng để trang điểm, rửa mặt. Một vài hoá chất được sử dụng trong nông nghiệp cũng làm gia tăng ô nhiễm kim loại nặng như: Cu được thêm vào thức ăn cho lợn và được bài tiết ra một lượng lớn bởi các loài động vật. Kim loại nặng nói chung là chất độc hại hoặc rất độc hại đối với các động vật sống dưới nước và nhiều loài động vật khác. Nghiên cứu ảnh hưởng, hậu quả của kim loại nặng trong nước tới sinh thái thường gặp những cản trở bởi thực tế là các tạp chất ô nhiễm khác luôn luôn có mặt, do đó khó có thể xác định được mức độ ô nhiễm hay hậu quả của các kim loại có trong nước thải gây nên với môi trường sinh thái.
Đối với con người một số các kim loại khi tồn tại một hàm lượng nhất định trong cơ thể con người sẽ có ích, tuy nhiên khi nồng độ các kim loại này lớn hoặc thấp hơn mức cho phép thì nó sẽ là chất độc gây rối loạn trong cơ thể con người và tạo ra các bệnh nguy hiểm như rối loạn cơ quan thần kinh, phá huỷ gan, thận hoặc gây ra các bệnh ung thư [10, 11] 1. Các phương pháp xử lý ion kim loại nặng trong nước 1. Phương pháp kết tủa hóa học Phương pháp này dựa trên phản ứng giữa chất đưa vào nước thải với các kim loại cần tách ở độ pH thích hợp. Qúa trình này sẽ tạo hợp chất kết tủa và nó được tách khỏi nước bằng phương pháp lắng.
Cơ chế của kết tủa hóa học thể hiện ở phương trình sau: M2+ + 2(OH)- → M(OH)2 Phương pháp thường được dùng là kết tủa kim loại dưới dạng hydroxide bằng cách trung hòa đơn giản các chất thải. Tùy thuộc vào kim loại, độ pH được điều chỉnh để lượng chất kết tủa được lớn nhất mà vẫn không gây độc hại. Phương pháp này đơn giản và rẻ tiền nhưng ở những với nồng độ kim loại cao thì xử lý không triệt để, tạo ra bùn thải khi loại, khó điều chỉnh pH. Có nhiều tài liệu đã sử dụng phương pháp kết tủa hóa học để xử lý các kim loại nặng trong nước thải sinh hoạt bằng các tác nhân khử FeSO4, NaHSO3 và tác nhân kết tủa là NaOH, Na2CO3.
Phương pháp trao đổi ion Phương pháp trao đổi ion dùng ionic là nhựa hữu cơ tổng hợp các chất cao phân tử có gốc hydrocacbon và các nhóm chức trao đổi ion. Quá trình trao đổi ion được tiến hành trong cột Cationic và Anionic. Quá trình trao đổi ion bởi các vật liệu nhựa này không làm thay đổi tính chất vật lý của các chất trong dung dịch và nó cũng không bị hòa tan. Phương pháp này có ưu điểm là khả năng trao đổi lớn, làm sạch nước, tách hoàn toàn các kim loại nặng ra khỏi nước như: Cd, Hg, Cu, Mn,… hiệu quả xử lý kim loại cao nhưng chi phí xử lý cao.
Phương pháp điện hóa Tách kim loại bằng cách nhúng các điện cực trong nước thải có chứa kim loại nặng và cho dòng điện 1 chiều chạy qua. Đặt điện thế vào bình điện phân để tạo ra một dòng điện. Các cation chuyển dịch về phía cathode và anion chuyển về phía anode. Phương pháp này đơn giản, dễ sử dụng nhưng tiêu hao năng lượng lớn, chi phí cao, chỉ thích hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao.
Phương pháp hấp phụ 1. Khái niệm hấp phụ Sự hấp phụ là hiện tượng bề mặt nhằm thu hút chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ, nhằm giảm sức căng bề mặt của chất hấp phụ. Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh.
Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1 g chất hấp phụ. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Sự hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa các phần tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Phân loại hấp phụ: Dựa vào bản chất của lực hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực vật lý (lực tương tác phân tử), còn hấp phụ hoá học gây ra bởi lực hoá học(lực của liên kết hoá học).
- Hấp phụ vật lý: Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion.) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu. Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng. Lực liên kết này yếu nên dễ bị phá vỡ. Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hoá học (không hình thành các liên kết hoá học) 7 mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ.
Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn - Hấp phụ hoá học: Hấp phụ hoá học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hoá học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hoá học khi đó là lực liên kết hoá học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hoá trị, liên kết phối trí. Lực liên kết này mạnh nên khó bị phá vỡ. Nhiệt hấp phụ hoá học lớn, có thể đạt tới giá trị 800 kJ/mol Giải hấp: quá trình giải phóng chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ.
Là quá trình ngược lại với hấp phụ. Hấp phụ trong môi trường nước Hấp phụ trong môi trường nước thường diễn ra khá phức tạp. Vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác là nước, chất hấp phụ, chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và dung môi.
Thông thường, nồng độ chất tan trong dung dịch là nhỏ nên khi tiếp xúc với chất hấp phụ, các phần tử nước lập tức chiếm chỗ trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ. Các chất bị hấp phụ chỉ có thể đẩy phân tử nước để chiếm chỗ trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ. Điều này xảy ra khi tương tác giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ mạnh hơn tương tác giữa chất hấp phụ và nước Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ còn phu thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng. Chất hấp phụ và chất bị hấp phụ đều phân cực hoặc không phân cực thì sự hấp phụ xảy ra tốt hơn.
Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của môi trường. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ. Các chất có tính acid yếu hay base yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị phân ly, tích điện âm, dương hoặc trung hòa. Ngoài ra sự biến đổi pH cũng ảnh hưởng đến các nhóm chức bề mặt của chất hấp phụ do sự phân ly các nhóm chức.
Tóm lại hấp phụ trong môi trường nước có cơ chế phức tạp do yếu tố hấp phụ hỗn hợp, sự biến đổi bản chất hóa học của chất bị hấp phụ, chất hấp phụ vào môi trường. Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản, cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ [12].