Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sử dụng vật liệu biến tính từ tro bay để xử lý cadimi và chì trong nước ô nhiễm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu sử dụng vật liệu biến tính từ tro bay để xử lý cadimi và chì trong nước ô nhiễm, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Tác giả: Lê Sỹ Chung
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Xuân Hải
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Vật Liệu Biến Tính Từ Tro Bay Để Xử Lý Cadimi Và Chì Trong Nước Ô Nhiễm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Kim loại nặng và ảnh hưởng đến môi trường
• 1.2. Ô nhiễm kim loại nặng và hậu quả
• 1.3. Tính chất độc hại của kim loại nặng Chì và Cadimi
• 1.3.1. Tính chất độc hại của Chì (Pb)
• 1.3.2. Tính chất độc hại của Cadimi (Cd)
• 1.4. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước mặt và nước thải có chứa kim loại nặng
• 1.4.1. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt
• 1.4.2. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp
• 1.5. Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước
• 1.5.1. Tổng quan các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước
• 1.5.2. Phương pháp kết tủa hoá học
• 1.5.3. Phương pháp hấp phụ
• 1.5.4. Phương pháp trao đổi Ion
• 1.5.5. Phương pháp điện hoá
• 1.5.6. Phương pháp oxy hoá- khử
• 1.5.7. Xử lý nước thải có chứa kim loại nặng bằng phương pháp tạo Pherit
• 1.6. Vấn đề xử lý kim loại nặng trong nước thải tại Việt Nam
• 1.7. Tổng quan về tro bay
• 1.7.1. Giới thiệu về zeolit
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu
• 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.1.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu
• 2.3.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
• 2.3.3. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X
• 2.3.4. Kính hiển vi điện tử quét- Scanning Electron Microscopy (SEM)
• 2.3.5. Phương pháp phân tích dung lượng trao đổi cation của vật liệu
• 2.3.6. Phương pháp trong phòng thí nghiệm
• 2.3.7. Phương pháp hấp phụ
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Các tính chất cơ bản của tro bay và vật liệu biến tính từ tro bay
• 3.1.1. Các tính chất cơ bản của tro bay
• 3.1.2. Tro bay và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu
• 3.1.3. Tính chất cơ bản của tro bay biến tính
• 3.1.4. Khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+, Cd2+ trong nước ô nhiễm của vật liệu zeolit tổng hợp từ tro bay
• 3.1.5. Khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+ trong nước ô nhiễm của vật liệu tro bay sau biến tính
• 3.1.6. Khảo sát khả năng hấp phụ Cd2+ trong nước ô nhiễm của vật liệu tro bay sau biến tính
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về xử lý cadimi và chì trong nước ô nhiễm

Nước ô nhiễm bởi cadimi và chì đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong môi trường hiện nay. Hai kim loại nặng này không chỉ gây hại cho sức khỏe con người mà còn ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Việc xử lý chúng là cần thiết để bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng tro bay như một vật liệu biến tính có thể mang lại hiệu quả cao trong việc loại bỏ cadimi và chì khỏi nước ô nhiễm.

1.1. Tình trạng ô nhiễm nước bởi cadimi và chì

Ô nhiễm nước do cadimi và chì chủ yếu xảy ra từ các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nồng độ cadimi và chì trong nước vượt quá giới hạn cho phép, gây ra nhiều hệ lụy cho sức khỏe con người và động thực vật.

1.2. Tác động của cadimi và chì đến sức khỏe con người

Cadimi và chì có thể gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng như rối loạn chức năng thận, ảnh hưởng đến hệ thần kinh và gây ung thư. Việc tiếp xúc lâu dài với hai kim loại này có thể dẫn đến tích lũy trong cơ thể, gây ra những hậu quả khó lường.

II. Thách thức trong xử lý cadimi và chì trong nước

Việc xử lý cadimi và chì trong nước ô nhiễm gặp nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống thường không hiệu quả hoặc tốn kém. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp mới, hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Tro bay, một sản phẩm phụ từ các nhà máy nhiệt điện, đã được nghiên cứu và chứng minh khả năng hấp phụ tốt đối với cadimi và chì.

2.1. Các phương pháp xử lý truyền thống

Các phương pháp như kết tủa hóa học, hấp phụ và trao đổi ion thường được sử dụng để xử lý kim loại nặng. Tuy nhiên, những phương pháp này có nhiều hạn chế như chi phí cao và hiệu quả không ổn định.

2.2. Hạn chế của các phương pháp hiện tại

Nhiều phương pháp hiện tại không thể loại bỏ hoàn toàn cadimi và chì, hoặc tạo ra các chất thải độc hại khác. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các công nghệ mới, hiệu quả hơn.

III. Phương pháp xử lý cadimi và chì bằng tro bay

Tro bay đã được nghiên cứu như một vật liệu biến tính có khả năng hấp phụ cadimi và chì trong nước ô nhiễm. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng tro bay không chỉ hiệu quả mà còn tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, tro bay có thể loại bỏ một lượng lớn cadimi và chì trong nước.

3.1. Cơ chế hấp phụ của tro bay

Tro bay có cấu trúc đặc biệt giúp tăng cường khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng. Cơ chế hấp phụ diễn ra thông qua các phản ứng hóa học và vật lý, tạo ra các liên kết bền vững với cadimi và chì.

3.2. Quy trình biến tính tro bay

Quy trình biến tính tro bay bao gồm các bước như xử lý nhiệt và hóa học để cải thiện khả năng hấp phụ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tro bay sau khi biến tính có khả năng hấp phụ cadimi và chì cao hơn nhiều so với tro bay tự nhiên.

IV. Kết quả nghiên cứu ứng dụng tro bay trong xử lý nước ô nhiễm

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng tro bay trong xử lý nước ô nhiễm mang lại kết quả khả quan. Các thí nghiệm cho thấy, tro bay có thể loại bỏ đến 90% cadimi và chì trong nước ô nhiễm. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm kim loại nặng.

4.1. Hiệu quả xử lý cadimi và chì

Kết quả thí nghiệm cho thấy, tro bay có khả năng hấp phụ cadimi và chì hiệu quả, giúp giảm nồng độ kim loại nặng trong nước xuống dưới mức cho phép. Điều này chứng tỏ tiềm năng của tro bay trong xử lý ô nhiễm.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của tro bay

Tro bay không chỉ có thể được sử dụng trong xử lý nước ô nhiễm mà còn có thể áp dụng trong các lĩnh vực khác như xây dựng và sản xuất vật liệu xây dựng. Việc tái chế tro bay sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm tài nguyên.

V. Kết luận và triển vọng tương lai trong xử lý ô nhiễm nước

Việc nghiên cứu và ứng dụng tro bay trong xử lý cadimi và chì trong nước ô nhiễm là một bước tiến quan trọng trong công nghệ xử lý môi trường. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hiệu quả và mở rộng ứng dụng của tro bay trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng.

5.1. Tương lai của công nghệ xử lý ô nhiễm

Công nghệ xử lý ô nhiễm nước cần được phát triển theo hướng bền vững, hiệu quả và thân thiện với môi trường. Tro bay có thể là một phần quan trọng trong giải pháp này.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình biến tính tro bay và đánh giá hiệu quả lâu dài của nó trong xử lý ô nhiễm nước. Việc hợp tác giữa các nhà khoa học và doanh nghiệp cũng rất cần thiết để đưa công nghệ này vào thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước là một trong những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, lượng kim loại nặng như Chì (Pb) và Cadimi (Cd) thải ra môi trường ngày càng gia tăng do các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt. Chì và Cadimi là hai kim loại có tính độc hại cao, tích tụ lâu dài trong cơ thể sinh vật, gây ra các bệnh lý nghiêm trọng như rối loạn chức năng thận, thần kinh, ung thư và giảm trí thông minh ở trẻ em. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và đánh giá hiệu quả của vật liệu biến tính từ tro bay – một sản phẩm phụ của các nhà máy nhiệt điện – trong việc xử lý ô nhiễm Pb và Cd trong nước. Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp zeolit từ tro bay bằng phương pháp kết tinh thủy nhiệt trong môi trường kiềm mạnh, khảo sát các tính chất lý hóa của vật liệu và đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng trong điều kiện ô nhiễm cao. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tro bay lấy từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại, với các thí nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm tại Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tái sử dụng nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt Nam, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển công nghệ xử lý nước thải kim loại nặng hiệu quả, thân thiện với môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Kim loại nặng và ảnh hưởng môi trường: Kim loại nặng như Pb và Cd tồn tại trong môi trường dưới nhiều dạng hóa học khác nhau, có khả năng tích tụ sinh học và gây độc hại lâu dài. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính độc hại bao gồm độ hòa tan, tính oxy hóa-khử, khả năng tạo phức và tích tụ sinh học.

• Zeolit và vật liệu hấp phụ: Zeolit là khoáng aluminosilicat có cấu trúc mạng lưới ba chiều với các lỗ rỗng và kênh dẫn, mang điện tích âm trên bề mặt, có khả năng trao đổi cation và hấp phụ kim loại nặng hiệu quả. Zeolit tổng hợp từ tro bay có thể cải thiện đáng kể dung tích trao đổi cation (CEC) và diện tích bề mặt so với tro bay ban đầu.

• Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir: Mô hình này được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ kim loại lên bề mặt vật liệu, xác định lượng hấp phụ cực đại (Qmax) và hằng số hấp phụ, giúp đánh giá hiệu quả xử lý.

Các khái niệm chính bao gồm: dung tích trao đổi cation (CEC), cấu trúc zeolit, quá trình zeolit hóa (tinh thể hóa thủy nhiệt trong môi trường kiềm), và các chỉ tiêu chất lượng nước theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Tro bay được lấy từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại, nước ô nhiễm nhân tạo được chuẩn bị trong phòng thí nghiệm với nồng độ Pb2+ gốc 3000 mg/l và Cd2+ gốc 1500 mg/l.

• Phương pháp biến tính tro bay: Tro bay được biến tính bằng phương pháp kết tinh thủy nhiệt trong dung dịch NaOH 3N, khuấy từ 1 giờ ở 100°C, sau đó hấp cách thủy 24 giờ ở 90°C. Vật liệu sau đó được rửa sạch, sấy khô và nghiền mịn qua rây 0,25 mm.

• Phân tích tính chất vật liệu: Sử dụng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt, phương pháp phân tích dung tích trao đổi cation (CEC) để đánh giá khả năng trao đổi ion.

• Phân tích kim loại nặng: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) được sử dụng để xác định nồng độ Pb2+ và Cd2+ trong dung dịch trước và sau xử lý.

• Thí nghiệm hấp phụ: Thực hiện với 11 mẫu, mỗi mẫu gồm 1 g vật liệu và 100 ml dung dịch Pb2+ hoặc Cd2+ ở các nồng độ khác nhau. Mẫu được lắc ở 175 vòng/phút trong 2 giờ, sau đó để yên qua đêm, ly tâm và lọc lấy dung dịch phân tích.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình biến tính và thí nghiệm hấp phụ được tiến hành trong vòng 3 tháng, bao gồm các bước chuẩn bị vật liệu, phân tích tính chất, thí nghiệm hấp phụ và xử lý số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính chất lý hóa của tro bay biến tính: Tro bay sau biến tính có dung tích trao đổi cation (CEC) tăng từ khoảng 50 meq/100g lên đến 150-250 meq/100g, tương đương tăng 3-5 lần so với tro bay ban đầu. pH của vật liệu biến tính duy trì ở mức kiềm nhẹ (khoảng 11), phù hợp cho quá trình hấp phụ cation kim loại.

2. Cấu trúc zeolit tổng hợp: Phổ XRD cho thấy sự hình thành các tinh thể zeolit đặc trưng sau quá trình biến tính, với các đỉnh nhiễu xạ rõ ràng hơn so với tro bay tự nhiên. SEM cho thấy vật liệu biến tính có bề mặt xốp, kích thước hạt đồng đều, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ.

3. Khả năng hấp phụ Pb2+ và Cd2+: Vật liệu biến tính hấp phụ Pb2+ với lượng hấp phụ cực đại Qmax đạt khoảng 180 mg/g, cao hơn gần 2 lần so với tro bay tự nhiên (khoảng 95 mg/g). Đối với Cd2+, Qmax của vật liệu biến tính đạt khoảng 120 mg/g, so với 65 mg/g của tro bay ban đầu.

4. Ảnh hưởng của nồng độ kim loại: Hiệu quả hấp phụ tăng theo nồng độ kim loại trong dung dịch, đạt bão hòa khi nồng độ Pb2+ khoảng 2700 mg/l và Cd2+ khoảng 1500 mg/l. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir mô tả tốt quá trình hấp phụ với hệ số tương thích R² > 0.98.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng đáng kể dung tích trao đổi cation và diện tích bề mặt sau biến tính tro bay là nguyên nhân chính làm tăng khả năng hấp phụ Pb2+ và Cd2+. Quá trình zeolit hóa trong môi trường kiềm mạnh đã phá vỡ cấu trúc tro bay ban đầu, tái tạo thành các tinh thể zeolit có cấu trúc mạng lưới ba chiều với điện tích âm trên bề mặt, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi ion và hấp phụ kim loại nặng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu quả hấp phụ của vật liệu biến tính từ tro bay trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội hơn so với các vật liệu hấp phụ tự nhiên khác như bentonite hay than hoạt tính. Kết quả cũng phù hợp với các báo cáo về khả năng hấp phụ cao của zeolit tổng hợp từ nguồn nguyên liệu giàu silic.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, biểu đồ so sánh CEC trước và sau biến tính, cũng như hình ảnh SEM minh họa sự thay đổi cấu trúc bề mặt vật liệu. Bảng tổng hợp Qmax và các thông số hấp phụ cũng giúp minh chứng hiệu quả xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng vật liệu biến tính từ tro bay trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy nhiệt điện và cơ sở công nghiệp có thể sử dụng vật liệu này để xử lý nước thải chứa Pb và Cd, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian triển khai dự kiến 6-12 tháng để thử nghiệm quy mô pilot.

2. Phát triển công nghệ tổng hợp zeolit từ tro bay quy mô công nghiệp: Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất vật liệu biến tính, tối ưu hóa quy trình biến tính để giảm chi phí và tăng hiệu quả hấp phụ. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

3. Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng vật liệu: Cần có các tiêu chuẩn kỹ thuật về chất lượng vật liệu biến tính từ tro bay, hướng dẫn sử dụng và tái sinh vật liệu sau khi hấp phụ kim loại. Thời gian thực hiện 12 tháng, phối hợp giữa cơ quan quản lý môi trường và các chuyên gia.

4. Khuyến khích tái sử dụng tro bay trong các lĩnh vực khác: Ngoài xử lý nước thải, tro bay biến tính có thể được ứng dụng trong cải tạo đất, sản xuất vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu lượng tro thải ra môi trường. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp xây dựng và nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu chi tiết về xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng vật liệu biến tính từ tro bay, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp xử lý nước thải và công nghệ môi trường: Thông tin về vật liệu hấp phụ hiệu quả, quy trình biến tính và ứng dụng thực tiễn giúp doanh nghiệp lựa chọn giải pháp xử lý nước thải phù hợp, tiết kiệm chi phí.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học và đề xuất chính sách về quản lý chất thải công nghiệp, tái sử dụng tro bay và kiểm soát ô nhiễm kim loại nặng trong nước.

4. Ngành công nghiệp nhiệt điện và xây dựng: Tham khảo để phát triển công nghệ tái chế tro bay, ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng và xử lý môi trường, góp phần phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn tro bay làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng?
   Tro bay là sản phẩm phụ giàu silic, có diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi cation tốt. Việc biến tính tro bay thành zeolit tăng cường khả năng hấp phụ kim loại nặng, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.

2. Phương pháp biến tính tro bay được thực hiện như thế nào?
   Tro bay được xử lý trong dung dịch NaOH 3N, khuấy từ 1 giờ ở 100°C, sau đó hấp cách thủy 24 giờ ở 90°C để phá vỡ cấu trúc ban đầu và tái tạo thành zeolit. Vật liệu sau đó được rửa sạch và sấy khô để sử dụng trong thí nghiệm hấp phụ.

3. Hiệu quả hấp phụ của vật liệu biến tính so với tro bay tự nhiên ra sao?
   Vật liệu biến tính có dung tích trao đổi cation tăng gấp 3-5 lần và lượng hấp phụ cực đại Pb2+ đạt khoảng 180 mg/g, Cd2+ khoảng 120 mg/g, cao hơn gần gấp đôi so với tro bay tự nhiên.

4. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir có vai trò gì trong nghiên cứu?
   Phương trình này mô tả quá trình hấp phụ kim loại lên bề mặt vật liệu, giúp xác định lượng hấp phụ cực đại và hằng số hấp phụ, từ đó đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của vật liệu trong xử lý ô nhiễm.

5. Vật liệu biến tính từ tro bay có thể tái sử dụng được không?
   Vật liệu có thể được tái sinh bằng các phương pháp thích hợp như rửa bằng dung dịch kiềm hoặc axit nhẹ để loại bỏ kim loại hấp phụ, giúp kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí vận hành trong ứng dụng thực tế.

Kết luận

• Vật liệu biến tính từ tro bay, đặc biệt là zeolit tổng hợp, có khả năng hấp phụ Pb2+ và Cd2+ trong nước ô nhiễm rất hiệu quả, với lượng hấp phụ cực đại lần lượt đạt khoảng 180 mg/g và 120 mg/g.
• Quá trình biến tính bằng phương pháp kết tinh thủy nhiệt trong môi trường kiềm mạnh làm tăng đáng kể dung tích trao đổi cation và diện tích bề mặt của tro bay.
• Kết quả phân tích XRD và SEM xác nhận sự hình thành cấu trúc zeolit đặc trưng với bề mặt xốp, đồng đều, phù hợp cho quá trình hấp phụ kim loại nặng.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ để phát triển vật liệu hấp phụ từ nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt Nam, góp phần xử lý ô nhiễm môi trường nước hiệu quả và bền vững.
• Đề xuất tiếp tục mở rộng nghiên cứu quy mô công nghiệp, xây dựng quy chuẩn kỹ thuật và phát triển các ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải và cải tạo môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời hoàn thiện quy trình sản xuất và tái sinh vật liệu để ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.Kim loại nặng và ảnh hưởng đến môi trường. Thuật ngữ "KLN" được từ điển hoá học định nghĩa là các kim loại có tỷ trọng lớn hơn 4 hoặc 5. Đối với các nhà độc tố học thuật ngữ "KLN" chủ yếu được dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề về môi trường, bao gồm: Cu, Zn, pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Co, V, Ti, Fe, Mn, Ag, Sn (Rainbow, 1985, Hopkin, 1989; Bryan & Langston, 1992). Chúng 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).

Cũng như nhiều nguyên tố khác, các kim loại nặng có thể cần thiết cho sinh vật, cây trồng hoặc động vật, hoặc không cần thiết. Những kim loại chỉ có nghĩa “cần thiết” đối với sinh vật ở một hàm lượng nhất định nào đó, nếu ít hơn hoặc nhiều hơn thì lại gây tác động ngược lại. Những kim loại không cần thiết, khi vào cơ thể sinh vật ngay cả ở dạng vết (rất ít) cũng có thể gây tác động độc hại. Với quá trình trao đổi chất, những kim loại này thường được xếp loại độc.

Như vậy, kim loại sẽ tồn tại một khoảng hàm lượng tối ưu và chỉ có giá trị đối với đúng loài sinh vật hay một cơ quan của sinh vật mà nó có tác dụng. Kim loại nặng trong môi trường thường không bị phân huỷ sinh học mà tích tụ trong sinh vật, tham gia chuyển hoá sinh học tạo thành các hợp chất độc hại hoặc ít độc hại hơn. Chúng cũng có thể tích tụ trong hệ thống phi sinh học (không khí, đất nước, trầm tích) và được chuyển hoá nhờ sự biến đổi của các yếu tố vật lý và hoá học như nhiệt độ áp suất dòng chảy, oxy, nước. Nhiều hoạt động nhân tạo cũng tham gia vào quá trình biến đổi các kim loại nặng và là nguyên nhân gây ảnh hưởng tới vòng tuần hoàn vật chất hoá địa, sinh học.

Mức độ ảnh hưởng của các hoạt động nhân tạo tới các vòng tuần hoàn kim loại có thể định tính qua một số hệ số khác nhau. Bên cạnh các hệ số kỹ thuật, còn có một số yếu tố sau:  Hệ số lan truyền IF(Interference factor) toàn cầu là tỷ lệ giữa lượng vật chất nhân tạo của một kim loại đi vào khí quyển và lượng vật chất trong tự nhiên của kim loại đó. 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail]  Hệ số tích tụ địa chất Igeo là logarit của tỷ lệ nồng độ nguyên tố trong trầm tích của sông và trong cơ thể sống: CE  Igeo =log 1 .5 B F  CF nồng độ kim loại trong trầm tích của sông.  BF nồng độ kim loại trong cơ thể sống.

 Hệ số tích tụ khí quyển(EF) là tỷ lệ giữa nồng độ tương đối của một kim loại trong khí quyển và trong vỏ Trái Đất dựa trên nồng độ của nhôm tương ứng: (C kl / C Al )khiquyen EF= (C kl / C Al )voTD Ảnh hưởng sinh học và hoá học của kim loại nặng trong môi trường còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ hoà tan của các muối, tính oxy khử, khả năng tạo phức và khả năng tích tụ sinh học. Ví dụ, muối của các kim loại dễ tan hơn muối của kim loại kiềm thổ nên chúng dễ đi vào thuỷ quyển hơn. Một số hợp chất kim loại có tính oxy hoá mạnh sẵn sàng tham gia vào các phản ứng trao đổi tạo nên các chất mới. Các dẫn xuất của N, S dễ kết hợp với các cacbua kim loại nặng (Zn2+, Co2+, Mn2+, Fe2+.) tạo thành các phức chất bền vững.

Một số kim loại nặng lại có thể tạo nên các bậc oxy hoá khác nhau bền vững trong điều kiện môi trường để tham gia phản ứng oxi hoá khử chuyển hoá thành chất ít độc hơn (Fe2+/Fe3+). Một số kim loại tham gia phản ứng chuyển hoá sinh học với thành phần trong cơ thể sống tạo nên các hợp chất cơ- kim loại (alky hoá như (CH3)2Hg, CH3Hg+,.) tích tụ trong sinh vật và gây tác động độc hại[5]. Ô nhiễm kim loại nặng và hậu quả. Ngày nay con người tiếp xúc trực tiếp với kim loại nặng ở nhiều dạng thức khác nhau.

Kim loại nặng đã đi vào cơ thể con người và sinh vật qua chuỗi thức ăn. Loài người tiếp xúc lâu dài với các kim loại độc hại trong môi trường với liều lượng khác nhau. Giáo sư Jerome Nriagu thuộc trường đại học Michigan khẳng định: “Hơn 1 tỷ người đã thành các vật thí nghiệm thực sự khi tiếp xúc với những kim loại độc có hàm lượng cao trong môi trường”. Theo tác giả này, nhiều triệu người bị các chứng nhiễm độc kim loại tới mức phát bệnh.

Nhiều khu đô thị của các nước phát triển đã 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] trở thành nơi bị ô nhiễm nặng bởi kim loại nặng. Sự nhiễm độc ngày càng tràn lan, nhất là nếu như việc xả chất thải cứ tiếp tục theo mức độ hiện nay thì ta khó lòng hy vọng sự tăng trưởng này có khi nào giảm đi được. Trong một nghiên cứu, đã khẳng định số lượng kim loại xả ra trên toàn cầu là ở các nước đang phát triển, do đó người và các sinh vật khác phải tiếp xúc với kim loại ở mức cao hơn nhiều so với mức họ vẫn sống”. Kim loại, hợp kim và hợp chất kim loại rất cần cho khoa học và công nghệ hiện đại dù rằng ngày nay, việc thay thế bằng các hợp chất hữu cơ trong một số ứng dụng quan trọng(sợi quang và những chất bán dẫn hữu cơ) không còn là ngoại lệ.

Rất hiếm thấy một kim loại mà không có một ứng dụng nào đó. Văn minh và kinh tế của những quốc gia từ thời cổ đại đều dựa ít nhất một phần vào các kim loại. Đối với cuộc sống hiện đại thì luôn cần đến kim loại, dù rằng chất dẻo hiện nay đã thay thế kim loại trong một số ứng dụng. Thế nhưng nhiều khi cũng cần đến các xúc tác kim loại để xúc tiến quá trình polyme hoá tạo thành các chất dẻo.Những chất xúc tác một khi dùng rồi sẽ sđược thải ra môi trường.

Các kim loại của chúng có thể gây ra những hiểm hoạ ghê gớm không lường trước được: Ví dụ như bệnh Minamata bắt nguồn từ thuỷ ngân của chất xúc tác phản ứng polyme. Sự thật là không tránh được một quá trình công nghiệp tạo ra những chất thải kim loại làm cho môi trường trở thành một bãi rác. Kim loại là nguyên tố tồn tại lâu bền trong môi trường sống của con người và động vật, do đó các vụ nhiễm độc kim loại nặng thường diễn ra âm ỉ và nguy hại nghiêm trọng, do các kim loại nặng không phân huỷ được. Thật ra, chúng tồn tại vĩnh viễn nếu như ta so sánh thời gian tồn tại của chúng với tuổi thọ của sinh vật (không kể đến các phản ứng phóng xạ).

Trong điều kiện bình thường thì không thể nào biến đổi và phá huỷ được chúng. Thế nhưng, dưới tác động của một số vi khuẩn, chúng có thể kết hợp với các hợp chất hữu cơ để tạo nên những chất rất độc có khả năng len lỏi vào mạch thực phẩm và đi vào cơ thể con người như trường hợp metyl thuỷ ngân ở Minamata. Người ta cho rằng sự độc hại gây nên do tất cả các kim loại nặng được thải hàng năm vào sinh quyển vượt xa độc hại của tất cả các chất thải hữu cơ và phóng xạ. 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trong môi trường nước thì ion kim loại nặng thường kết hợp với các thành phần khác để chuyển về trạng thái bền hơn.

Trong nước chúng thường bị hyđrat hóa tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước che chắn nó với các phân tử không phải là nước ở xung quanh để trở về trạng thái bền hơn. Lớp vỏ hyđrat này thường là hình cầu mà ion kim loại nằm ở trung tâm, các phân tử nước bao xung quanh được gọi là lớp vỏ. Các phân tử nằm sát với ion kim loại nhất thì chúng có tương tác với ion kim loại mạnh nhất, các lớp tiếp sau thì yếu hơn và trong một khoảng cách nào đó thì sẽ không có tương tác. Quá trình hyđrat hóa có thể được coi là quá trình tạo phức với nhân trung tâm là ion kim loại và các phối tử là các phân tử nước.

Thông thường số phối trí của hấu hết các kim loại là 6. Các ion kim loại mang điện tích dương do vậy dưới tác dụng của lực đẩy tĩnh điện các nguyên tử hiđro của các phân tử nước nằm sát với các ion kim loại bị đẩy ra, và như vậy làm cho các phân tử nước nằm sát các ion kim loại có tính axit cao hơn (khả năng nhường proton cao hơn) so với các phân tử nước ở ngoài dung dịch. Quá trình nhường proton này đã tạo thành các phức chất hyđroxo, oxo hay hyđro oxo kim loại tức là các sản phẩm hyđroxit, oxit hay oxit hyđroxit hỗn hợp. Quá trình này gọi là quá trình thủy phân của kim loại, ion kim loại với nước.

Như đã trình bày, việc tách proton ra khỏi các phân tử nước nằm sát các ion kim loại là nhờ vào lực đẩy tĩnh điện, tức là phụ thuộc vào điện tích của các ion kim loại và khoảng cách giữa chúng với các phân tử nước. Do vậy, ion kim loại nào có điện tích càng cao thì khả năng tách proton càng lớn. Đối với các ion có cùng điện tích thì ion nào có kích thước ion càng nhỏ thì lực tĩnh điện tạo ra bởi nó với proton càng mạnh (do mật độ điện tích của các ion này cao hơn so với các ion cùng điện tích)[28]. Với các ion có điện tích là +1 (các kim loại kiềm), lực tương tác giữa chúng với các proton lớp vỏ không đủ để tách proton này ra.

Do vậy, các ion kim loại có điện tích +1 chỉ tồn tại ở trạng thái hiđrat hóa[28]. 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Với các ion có điện tích là +2 thì lực tương tác có mạnh hơn, tuy nhiên nó chỉ có khả năng đẩy proton ra ở vùng pH cao (tức là các phân tử nước xung quanh có khả năng tiếp nhặn proton cao), ở trong nhóm này thì các ion kim loại có kích thước nhỏ, mật độ điện tích lớn có khả năng đẩy các proton và tạo thành các hiđroxit kim loại.4H2O +H+ Đối với các ion kim loại có điện tích là +3, lực tương tác của chúng đủ mạnh để tách cả 3 proton ở điều kiện pH trung hòa, thậm chí có thể tách được cả proton thứ tư khi ở pH cao, ví dụ như sắt (III) ở pH > 8,5.