Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Luận văn nghiên cứu sử dụng vật liệu biến tính từ tro bay để xử lý cadimi và chì...

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

.PDF
73
152
143

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LÊ SỸ CHUNG 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 KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LÊ SỸ CHUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU BIẾN TÍNH TỪ TRO BAY ĐỂ XỬ LÝ CADIMI VÀ CHÌ TRONG NƯỚC Ô NHIỄM Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải Hà Nội – Năm 2013 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, bên cạnh sự nỗ lực, cố gắng của bản thân tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy giáo, gia đình, bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến PGS.TSKH Nguyễn Xuân Hải, người thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, cô giáo trong khoa Môi trường đã tận tình truyền đạt những kiến thức cho chúng tôi trong suốt hai năm học qua. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc nhất đến các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Thổ Nhưỡng – Môi trường đất đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện các thí nghiệm của đề tài. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn gia đình và bạn bè đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tham gia khóa học cao học tại trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nôi. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do kinh nghiệm thực tế chưa nhiều và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và bạn bè để luận văn được đầy đủ và hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! i MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................. 3 1.1. Kim loại nặng và ảnh hưởng đến môi trường. ................................................. 3 1.2. Ô nhiễm kim loại nặng và hậu quả. ................................................................. 4 1.3. Tính chất độc hại của kim loại nặng Chì và Cadimi ........................................ 7 1.3.1. Tính chất độc hại của Chì (Pb) ................................................................ 7 1.3.2. Tính chất độc hại của Cadimi (Cd) .......................................................... 9 1.4. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia của Việt Nam về nước mặt và nước thải có chứa kim loại nặng ................................................................................................ 10 1.4.1. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt: ............................ 10 1.4.2. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp: ......................... 11 1.5. Các phương pháp xử lý ô nhiễm KLN trong môi trường nước ........................ 12 1.5.1. Tổng quan các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước. .................. 12 1.5.2. Phương pháp kết tủa hoá học. .................................................................. 13 1.5.3. Phương pháp hấp phụ .............................................................................. 13 1.5.4. Phương pháp trao đổi Ion. ....................................................................... 14 1.5.5. Phương pháp điện hoá. ............................................................................ 16 1.5.6. Phương pháp oxy hoá- khử. ..................................................................... 16 1.5.7. Xử lý nước thải có chứa kim loại nặng bằng phương pháp tạo Pherit....... 17 1.5.8. Vấn đề xử lý kim loại nặng trong nước thải tại Việt nam. ........................ 18 1.6. Tổng quan về tro bay .......................................................................................... 19 1.7. Giới thiệu về zeolit ......................................................................................... 28 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG ......................................... 36 VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................... 36 2.1. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu .................................................................. 36 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................ 36 2.1.2. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................. 36 2.2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 37 ii 2.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 37 2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu .................................................................. 37 2.3.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) ................................. 37 2.3.3. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X ............................................................. 38 2.3.4. Kính hiển vi điện tử quét- Scanning Electron Microscopy (SEM)............ 39 2.3.5. Phương pháp phân tích dung lượng trao đổi cation của vật liệu ............... 40 2.3.6. Phương pháp trong phòng thí nghiệm ...................................................... 41 2.3.7. Phương pháp hấp phụ .............................................................................. 43 CHƯƠNG 3 ............................................................................................................. 44 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................. 44 3.1. Các tính chất cơ bản của tro bay và vật liệu biến tính từ tro bay...................... 44 3.1.1. Các tính chất cơ bản của tro bay .............................................................. 44 3.1.2. Tro bay và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu ............ 44 3.1.3. Tính chất cơ bản của tro bay biến tính: .................................................... 49 3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+, Cd2+ trong nước ô nhiễm của vật liệu zeolit tổng hợp từ tro bay ................................................................................................ 52 3.2.1. Khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+ trong nước ô nhiễm của vật liệu tro bay sau biến tính ...................................................................................................... 52 3.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ Cd2+ trong nước ô nhiễm của vật liệu tro bay sau biến tính ...................................................................................................... 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 58 Kết luận:................................................................................................................ 58 Kiến nghị............................................................................................................... 59 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Giá trị giới hạn các thông số chất lượng nước mặt ................................. 10 Bảng 1.2 Giá trị giá trị của thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp (C) của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp ................................................ 11 Bảng 1.3. Thành phần hóa học của tro bay ở các nước khác nhau ........................ 20 Bảng 1.4. Thành phần hóa học của tro bay từ một số nhà máy nhiệt điện Thái Lan ................................................................................. 20 Bảng 1.5. Tính chất cơ bản của tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại ..................... 20 Bảng 1.6. pH và thành phần các nguyên tố của tro bay ......................................... 23 Bảng 1.7. Kim loại nặng trong tro bay của nhà máy nhiệt điện Mae Moh, Thái Lan. .............................................................................................. 24 Bảng 3.1. Tính chất lý - hóa học của tro bay ........................................................ 44 Bảng 3.2. Mối tương quan giữa nồng độ OH- với CEC của tro bay ....................... 45 Bảng 3.3. Mối tương quan giữa thời gian với CEC của tro bay ............................. 46 Bảng 3.4. Mối tương quan giữa nhiệt độ khuấy từ và CEC của tro bay ................. 47 Bảng 3.5. Tính chất của vật liệu sau khi tổng hợp ................................................. 49 Bảng 3.6. Khả năng xử lý Pb2+ của tro bay tự nhiên .............................................. 52 Bảng 3.7. Khả năng xử lý Pb2+ của tro bay sau biến tính....................................... 53 Bảng 3.8. Nồng độ Pb2+ sau xử lý và tính toán các số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ................................................................................ 54 Bảng 3.9. khả năng xử lý Cd2+ của tro bay tự nhiên .............................................. 55 Bảng 3.10. khả năng xử lý Cd2+ của tro bay sau biến tính ..................................... 55 Bảng 3.11. Nồng độ Cd2+ sau xử lý và tính toán các số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ................................................................................ 57 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc lập thể của zeolit ..................................................................... 29 Hình 1.2. Các vị trí axit Bronsted và Lewis trên bề mặt siloxan (Breck, 1974)....... 31 Hình 1.3. Zeolit được xử lý bề mặt sử dụng cho hấp phụ các chất ô nhiễm. ........... 33 Hình 1.4. Quá trình hòa tan và tái kết tinh zeolit ................................................... 34 Hình 2.1. Chùm tia X tới và chùm tia tán xạ từ bề mặt tinh thể .............................. 39 Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ đến CEC của tro bay. ............. 45 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến CEC của tro bay............. 46 Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ khuấy từ đến CEC tro bay ...... 48 Hình 3.4. Tro bay trước và sau khi biến tính.......................................................... 50 Hình 3.5. Phổ XRD của tro bay ban đầu................................................................ 50 Hình 3.6. Phổ XRD vật liệu biến tính từ tro bay. ................................................... 51 Hình 3.7. Hình thái tro bay ban đầu và sau khi biến tính ...................................... 52 Hình 3.8. Khả năng xử lý Pb2+ của tro bay tự nhiên và sau biến tính..................... 53 Hình 3.9. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .................................................... 54 bởi vật liệu tro bay biến tính đối với Pb ................................................................. 54 Hình 3.10. Khả năng xử lý Cd2+ của tro bay tự nhiên và sau biến tính .................. 56 Hình 3.11. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir bởi vật liệu tro bay biến tính đối với Cadimi ............................................................................................................. 57 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIÊT TẮT CEC Dung tích trao đổi cation AAS Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử HCT Hấp cách thủy KLN Kim loại nặng SEM Kính hiển vi điện tử quét XRD Nhiễu xạ Rơnghen vi MỞ ĐẦU Nước là một tài nguyên thiên nhiên quý giá, là một trong bốn thành phần cấu tạo môi trường. Trái đất sẽ không thể có sự sống nếu thiếu nước. Nước đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và đời sống. Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm cho đời sống của con người ngày càng được nâng cao. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển đó là tình trạng ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng. Hiện nay, ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước đang là một trong những vấn đề môi trường gây nhiều bức xúc. Hậu quả do ô nhiễm kim loại nặng gây ra được phản ánh trực tiếp tới “sức khỏe” cây trồng, vật nuôi…đặc biệt thông qua chuỗi thức ăn, kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể con người và gây ra những hậu quả khó lường. Các kim loại này sau khi thâm nhập vào cơ thể, chúng không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa của cơ thể sinh vật, chúng được tích lũy dần dần và gây rối loạn tổng hợp hemoglobin, chuyển hóa vitamin D, rối loạn chức năng của thận, phá hủy tủy sống, gây ung thư…Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước là rất cần thiết. Chì (Pb) và Cadimi (Cd) là hai kim loại có tính độc hại lớn cho con người và hệ sinh thái,đặc biệt là khi nó vượt quá ngưỡng cho phép và trong một số điều kiện môi trường nhất định. Pb có trong tự nhiên, đặc biệt là các khu mỏ Pb, Pb-Zn và trong các sản phẩm hằng ngày như xăng, sản xuất ắc quy, các làng nghề. Trong điều kiện bình thường của môi trường tự nhiên Pb ở trạng thái bền vững.Trong nước, thực vật, sinh vật thường có hàm lượng Pb rất thấp. Tuy nhiên, trong môi trường nhất định hoặc do tác nhân nhân tạo thì Pb mới ở dạng linh động. Trong đất, nếu Pb tồn tại ở dạng linh động thì nguy cơ bị rửa trôi làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và các thủy vực nước mặt là rất lớn. Trong đá và đất Cd tồn tại với hàm lượng rất nhỏ, nhưng khả năng tích lũy lâu dài trong đất và đi vào cơ thể sinh vật gây ra sự gia tăng liên tục của hàm lượng kim loại độc hại này trong hệ sinh thái. Cd đi vào môi trường nước chủ yếu là do các hoạt động sản xuất công nghiệp thải ra môi trường nước. Ô nhiễm từ các mỏ than, phân bón từ các quặng apatite có thể chứa 5% 1 Cadimi, ô nhiễm từ pin đã qua sử dụng…Mặc dù ảnh hưởng của Pb và Cd đến con người, hệ sinh thái rất lớn nhưng hầu hết hàm lượng phát thải của chúng vào môi trường từ hoạt động nhân tạo lại không có sự suy giảm mà càng gia tăng. Đã có nhiều phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng, nhưng phương pháp nào cũng có ưu điểm và hạn chế.Trong những năm gần đây các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu các loại vật liệu biến tính từ một số sản phẩm phụ của các ngành công nghiệp hoặc vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên, giá thành rẻ, hiệu quả cao, thân thiện với môi trường để xử lý ô nhiễm kim loại nặng. Vì vậy, nghiên cứu chế tạo một số vật liệu biến tính từ những nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có tại Việt Nam là vấn đề không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn có ý nghĩa về mặt thực tiễn vô cùng to lớn. Các vật liệu được dùng trong xử lý kim loại nặng như: bentonite, tro bay, diatomit, than bùn …Trong đó tro bay là nguồn nguyên liệu được quan tâm do sự gia tăng các nhà máy nhiệt điện hiện nay ở Việt Nam và khả năng tái chế tro bay để ứng dụng trong xử lý môi trường. Với hướng đi mới này, có thể tiết kiệm được chi phí, thân thiện môi trường và khả năng áp dụng vào thực tiễn cao. Do đó, đề tài “Nghiên cứu sử dụng vật liệu biến tính từ tro bay để xử lý Cadimi và Chì trong nước ô nhiễm” được lựa chọn thực hiện với mục tiêu nghiên cứu biến tính tro bay từ nhà máy nhiệt điện để ứng dụng xử lý Cd và Pb trong nước bị ô nhiễm. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1.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  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 1 .5 B F  Igeo =log  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: EF= (C kl / C Al )khiquyen (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]. 1.2. 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 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 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 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. M2+. 6H2O = M2+.OH.5H2O + H+ M2+.OH.5H2O = M(OH)2.4H2O +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. Fe3+.6H2O  FeOH2+.5H2O  FeOH2+.4H2O  Fe(OH)3.3H2O  Fe(OH)4-.2H2O Đối với các ion có điện tích là 4 hay cao hơn, việc tách các proton ra hết sức dễ dàng, chúng có thể tách cả 2 proton trong một phân tử nước và tạo thành các phức oxo: Cr2O72-, CrO42-, MnO4- [28]. 1.3. Tính chất độc hại của kim loại nặng Chì và Cadimi 1.3.1. Tính chất độc hại của Chì (Pb) Chì là nguyên tố có tính ứng dụng cao nên mặc dù là nguyên tố độc hại với con người song chì vẫn được ứng dụng rộng rãi. Trong quá trình sản xuất cũng như những ứng dụng của chì, nó rất dễ nhiễm ra môi trường, chì có thời gian tồn tại lâu, tích đọng dần làm ô nhiễm nước và môi trường đất. Nguồn cung cấp Chì vào nước được thông qua nhiều con đường khác nhau, bằng trực tiếp hay gián tiếp song có thể chia thành hai con đường chính sau: Theo nguồn gốc tự nhiên (phong hoá đá và những hoạt động của núi lửa) và theo nguồn gốc nhân tạo (Công nghiệp khai mỏ và luyện quặng Chì ; công nghiệp sản xuất các sản phẩm chứa Chì….). Chì được sử dụng trong ngành chế tạo đạn dược phục vụ cho mục đích quân sự chiếm tỷ lệ khá lớn trong tổng số Chì được con người sử dụng (chỉ đứng thứ hai sau ngành sản xuất ắc quy Chì). Ngoài ra, các hoạt động giao thông vận tải, các hoạt động sản xuất nông nghiệp, bãi rác,... cũng góp phần đáng kể vào sự ô nhiễm Chì trong nguồn nước mặt, nước ngầm. 7 Chì đặc biệt độc hại đối với não và thận, hệ thống sinh sản và hệ thống tim mạch của con người. Khi bị nhiễm độc Chì thì sẽ ảnh hưởng có hại tới chức năng của trí óc, thận, gây vô sinh, sẩy thai và tăng huyết áp. Đặc biệt,Chì là mối nguy hại đối với trẻ em. Một số kết quả nghiên cứu cho ta thấy nhiễm độc Chì làm giảm mạnh chỉ số thông minh (IQ) của trẻ em ở tuổi đi học. Một số đánh giá cho thấy cứ 10g/dl tăng về Chì trong máu sẽ gây ra mức giảm từ 1 đến 5 điểm IQ đối với trẻ em bị nhiễm Chì. Nhiễm Chì làm cho hệ thần kinh luôn căng thẳng, phạm tội và sự rối loạn trong tập trung chú ý ở trẻ em từ 7-11 tuổi. ở tuổi trung niên nhiễm độc Chì sẽ làm cho huyết áp tăng gây nhiều rỏi ro về bệnh tim mạch. Khác với các hoá chất mà tác động lên sức khoẻ khi ở nồng độ thấp còn chưa chắc chắn, việc nhiễm Chì mặc dù ở mức thấp cũng sẽ bị ngộ độc cao. Dù mức chì 10g/dl là mốc giới hạn có ảnh hưởng đến sức khoẻ, nhiều nhà khoa học không cho là ở mức thấp hơn là không có hại đến cơ thể con người. Một số nghiên cứu đã phát hiện ra tác hại đối với trẻ em khi mức Chì trong máu mới từ 5-10g/dl. Ngoài ra, chì có thể được hấp thụ nhiều hơn từ các lỗ chân lông rỗng và khi thức ăn hàng ngày thiếu các yếu tố vi lượng chính như sắt, canxi, kẽm [30]. Chì xâm nhập vào cơ thể con người, tích luỹ nhiều nhất ở trong xương và tác động đến tuỷ xương, hệ thần kinh, giảm trí thông minh, máu, các hệ enzym liên quan đến sự tạo máu và liên kết với sắt trong máu. Tác dụng hoá sinh chủ yếu của Chì là gây ảnh hưởng đến sự tổng hợp máu do can thiệp vào việc tổng hợp hemoglobin, làm đình trệ sự hình thành hemoglobin, kìm hãm canxi, gây ức chế và tác dụng lên một số enzym quan trọng của quá trình tổng hợp máu, phá vỡ hồng cầu [5]. Khi bị nhiễm độc, người bệnh có một số rối loạn cơ thể, trong đó chủ yếu là rối loạn bộ phận tạo huyết (tuỷ xương). Tuỳ theo mức độ nhiễm độc có thể gây ra những tai biến như đau bụng chì, đường viền đen Burton ở lợi, đau khớp, viêm thận, cao huyết áp vĩnh viễn, liệt, tai biến não, nếu bị nặng có thể tử vong. Các triệu chứng ngộ độc cấp tính Chì gồm có: buồn nôn, nôn mửa, đau bụng, biếng ăn, táo bón, mất ngủ, thiếu máu, cáu kỉnh, lo âu; trong trường hợp nghiêm trọng thì xuất hiện các tác động về thần kinh như không ngủ được, nhầm lẫn, trí nhớ sút kém, hôn mê hay tử vong. Trẻ em có mức hấp thụ Chì gấp 4 - 5 lần người lớn, mặt khác thời 8 gian bán huỷ sinh học Chì ở trẻ em cũng lâu hơn nhiều so với người lớn. Trẻ em từ 6 tuổi trở xuống và phụ nữ có thai là những đối tượng mẫn cảm với những ảnh hưởng nguy hại đến sức khoẻ do Chì gây ra[5]. 1.3.2. Tính chất độc hại của Cadimi (Cd) Cadimi là một kim loại chuyển tiếp tương đối hiếm, mềm, màu trắng ánh xanh và có độc tính, Cadimi tồn tại trong các quặng kẽm và được sử dụng chủ yếu trong các loại pin. Cadimi là chất gây độc cho con người và các sinh vật khác ngay với liều lượng rất nhỏ. Nguồn gốc gây ô nhiễm cadimi trong nước làdo kết quả của quá trình phong hoá đá và những hoạt động của núi lửa gây nhiễm cadimi trong nguồn nước ngầm (nguồn tự nhiên); do các hoạt động sản xuất công nghiệp thải ra môi trường nước (nguồn nhân tạo). Ngoài ra, các hoạt động giao thông vận tải, hoạt động sản xuất nông nghiệp, từ các bãi rác thải,... cũng góp phần đáng kể vào nguồn gây ô nhiễm Cd đối với nước mặt, nước ngầm. Cadimi có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như chất quang dẫn, chất bán dẫn, pin, đèn chân không, màn X-quang và màn nhấp nháy. Các chất này còn được dùng trong kỷ thuật đúc, điện, sản xuất gương, trong lĩnh vực bôi trơn, phân tích hoá học và còn được dùng trong lĩnh vực thú y do tính chất diệt nấm và diệt giun và trong xúc tác. Chúng còn được dùng trong que hàn và nhất là trong các que hàn nhôm. Cadimi là một trong rất ít nguyên tố không có ích lợi gì cho cơ thể con người. Nguyên tố này và dung dịch các hợp chất của nó là những chất cực độc thậm chí chỉ với nồng độ thấp, chúng sẽ tích lũy sinh học trong cơ thể cũng như trong các hệ sinh thái. Một trong những lý do có khả năng nhất cho độc tính của chúng là can thiệp vào các phản ứng của các enzime chứa kẽm. Kẽm là một nguyên tố quan trọng trong các hệ sinh học, nhưng Cadimi, mặc dù rất giống với kẽm về phương diện hóa học, nói chung dường như không thể thay thể cho kẽm trong các vai trò sinh học đó. Cadimi cũng có thể can thiệp vào các quá trình sinh học có chứa magiê và canxi theo cách thức tương tự [5]. 9 Cadimi đặc biệt nguy hiểm khi nó ở dạng khói. Cadimi tích tụ vào cơ thể con người và tồn tại rất lâu, nó thường nằm ở gan và thận. Với nồng độ nhỏ của kim loại này nếu tiếp xúc lâu dài có khả năng dẫn đến các bệnh phổi và các rối loạn về thận. Hít thở phải bụi có chứa Cadimi nhanh chóng dẫn đến các vấn đề đối với hệ hô hấp và thận, có thể dẫn đến tử vong (thông thường là do hỏng thận). Nuốt phải một lượng nhỏ Cadimi có thể phát sinh ngộ độc tức thì và tổn thương gan và thận. Các hợp chất chứa Cadimi cũng là các chất gây ung thư. Sự hấp thụ Cadimi gây ra bệnh thiếu hồng cầu trong máu (giảm số lượng tế bào hồng cầu trong máu và nồng độ hemoglobin) [5]. 1.4. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia của Việt Nam 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: Trong 32 thông số đánh giá chất lượng nước mặt (QCVN 08:2008/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt) thì có đến 10 thông số kim loại nặng đánh giá chất lượng nước mặt, cụ thể được trình bày trong bảng 1.1 Bảng 1.1 Giá trị giới hạn các thông số chất lượng nước mặt TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thông số Asen (As) Cadimi (Cd) Chì (Pb) Crom III (Cr3+) Crom VI (Cr6+) Đồng (Cu) Kẽm (Zn) Niken (Ni) Sắt (Fe) Thủy ngân (Hg) Đơn vị mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l A1 0,01 0,005 0,02 0,05 0,01 0,1 0,5 0,1 0,5 0,001 Giá trị giới hạn A B A2 B1 B2 0,02 0,05 0,1 0,005 0,01 0,01 0,02 0,05 0,05 0,1 0,5 1 0,02 0,04 0,05 0,2 0,5 1 1,0 1,5 2 0,1 0,1 0,1 1 1,5 2 0,001 0,001 0,002 Ghi chú: Việc phân hạng nguồn nước mặt nhằm đánh giá và kiểm soát chất lượng nước, phục vụ cho các mục đích sử dụng nước khác nhau: 10 A1 - Sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt và các mục đích khác như loại A2, B1 và B2. A2 - Dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt nhưng phải áp dụng công nghệ xử lý phù hợp; bảo tồn động thực vật thủy sinh, hoặc các mục đích sử dụng như loại B1 và B2. B1 - Dùng cho mục đích tưới tiêu thủy lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự hoặc các mục đích sử dụng như loại B2. B2 - Giao thông thuỷ và các mục đích khác với yêu cầu nước chất lượng thấp. 1.4.2. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp: Trong 33 thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp) thì có đến 11 thông số kim loại nặng đánh giá mức độ ô nhiễm trong nước thải công nghiệp được trình bày trong bảng 1.2. Bảng 1.2 Giá trị giá trị của thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp (C) của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp TT Thông số Đơn vị 1 Asen Thuỷ ngân Chì Cadimi Crom (VI) Crom (III) Đồng Kẽm Niken Mangan Sắt mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Giá trị C A 0,05 0,005 0,1 0,05 0,05 0,2 2 3 0,2 0,5 1 B 0,1 0,01 0,5 0,1 0,1 1 2 3 0,5 1 5 Ghi chú: Cột A Bảng 1 quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt; Cột B Bảng 1 quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt; Mục đích sử dụng của nguồn tiếp nhận nước thải được xác định tại khu vực tiếp nhận nước thải. 11 1.5. Các phương pháp xử lý ô nhiễm KLN trong môi trường nước 1.5.1. Tổng quan các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước. Ngày nay, có rất nhiều phương pháp để xử lý nước thải chứa kim loại nặng, như các phương pháp hoá học, hoá lý hay sinh học. Song kim loại nặng thường phát sinh từ các nguồn nhất định do vậy cách tốt nhất là xử lý ngay tại nguồn gây ô nhiễm. Tại các nhà máy, nước thải có chứa hàm lượng kim loại nặng vượt quá quy chuẩn cho phép cần phải áp dụng các quá trình xử lý nhằm loại bỏ kim loại nặng trước khi thải vào môi trường. Các phương pháp xử lý kim loại nặng nói riêng và phương pháp xử lý nước thải nói chung đều cần: + Đơn giản + Rẻ tiền + Nguyên vật liệu dễ kiếm + Có thời gian xử lý ngắn + Hiệu quả xử lý cao (với chất thải chứa kim loại nặng) + Chất thải (kim loại nặng) trong nước thải đầu ra phải nhỏ hơn so với quy chuẩn cho phép. + Tuổi thọ của vật liệu xử lý cao + Phương pháp đòi hỏi không gian xử lý nhỏ + Không gây ra chất ô nhiễm thứ cấp + Có thể hoàn nguyên lại chất quý hiếm (kim loại quý) Nói chung, khó có phương pháp nào đáp ứng đủ những yêu cầu trên, thông thường mỗi phương pháp chỉ đáp ứng được một phần. Tùy theo mục đích, hoàn cảnh để có thể lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp, tối ưu nhất. Mục đích của các phương pháp là tách các kim loại nặng ra khỏi nước thải và đưa các kim loại nặng về dạng tập trung để dễ sử dụng các biện pháp đơn giản khác, nhằm xử lý triệt để chúng [28]. 12
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan