Tài liệu Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kẽm trên tảo spirulina platensis cố định trên khối bọt polyurethane (puf)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KẼM TRÊN TẢO SPIRULINA PLATENSIS CỐ ĐỊNH TRÊN KHỐI BỌT POLYURETHANE (PUF) CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG TRẦN KIỀU MAI HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KẼM TRÊN TẢO SPIRULINA PLATENSIS CỐ ĐỊNH TRÊN KHỐI BỌT POLYURETHANE (PUF) TRẦN KIỀU MAI CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 8440301 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THU HUYỀN HÀ NỘI, NĂM 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Kiều Mai ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô khoa Môi trường – trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội cũng như bạn bè gia đình và người thân. Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thu Huyền đã hướng dẫn, tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành tốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Đồng thời, em xin cảm ơn sự giúp đỡ, hỗ trợ của nhóm sinh viên nghiên cứu khoa học đại diện là ThS. Đoàn Thị Oanh và các thầy cô, anh chị phụ trách phòng phân tích khoa Môi trường đã tạo điều kiện, giúp đỡ và có những góp ý bổ ích cho em hoàn thành tốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tôi cũng xin cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và người thân đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khoá học và thực hiện thành công luận văn này. Luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ phía hội đồng báo cáo, giáo viên phản biện và các thầy cô trong khoa để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2019 Học viên Trần Kiều Mai iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Sinh khối khô tảo Spirulina platensis sử dụng để nghiên cứu loại bỏ ion kẽm trong nước thải. Quá trình nghiên cứu loại bỏ ion kẽm trong nước thải bằng tảo Spirulina platensis được thực hiện ở chế độ tĩnh và chế độ cột. Thông qua kết quả nghiên cứu, đánh giá đã khẳng định sinh khối khô tảo Spirulina platensis có khả năng loại bỏ ion kẽm trong nước thải. Ở chế độ tĩnh: Kết quả thu được cho thấy hiệu suất loại bỏ Zn2+ của vật liệu rất cao đạt tới 96,37%. Khả năng xử lý cao nhất đạt được ở pH 5, 0,05 g/l BioM - SP8, nhiệt độ 35 °C, nồng độ kẽm ban đầu là 100 mg/l trong thời gian tiếp xúc là 90 phút. Mô hình đẳng nhiệt Langmuir được sử dụng để nhiệt mô tả đường hấp phụ đẳng các ion kẽm của Spirulina platensis SP8. Kết quả cho thấy rằng Spirulina platensis là một chất hấp phụ tiềm năng trong loại bỏ Zn2+, với khả năng hấp phụ Zn2+ tối đa đạt đến 454,54 mg/g. Ở chế độ cột: Theo các kết quả phân tích cho thấy khả năng loại bỏ ion kẽm của vật liệu hấp phụ cao nhất đạt được ở pH tối ưu là 5, chiều cao cột hấp phụ là 25 cm, lưu lượng nước đầu vào là 3 ml/phút và nồng độ tối ưu là 100 mg/l. BioM – SP8 - PUF hấp phụ Zn2+ đạt dung lượng hấp phụ cực đại là 134,31 mg/g vật liệu. Kết quả cho thấy rằng Spirulina platensis là một chất hấp phụ tiềm năng trong loại bỏ Zn2+. Các từ khóa: Spirulina platensis, kẽm, chất hấp phụ sinh học. iv SUMMARY Spirulina platens is dry biomass is used to study the removal of zinc ions in wastewater. Research on the removal of zinc ions in wastewater by Spirulina platensis was carried out in static and column mode. Through research results, assessments confirmed Spirulina platensis dry biomass capable of removing zinc ions in wastewater. In static mode: The very high percentage of removal reached up to 96,37% for Zn2+ was obtained. The highest removing level was achieved at pH 5, 0,05 g of BioM – SP8, temperature of 35 °C, 100 mg/l of zinc concentration after 90 minutes of exposure time for Zn2+. Langmuir isothermal model is used to describe the adsorption isotherm of metal ions of Spirulina platensis SP8. The results showed that Spirulina platensis is a good candidate for the elimination, with the maximum adsorption capacity was treated to 454,54 mg / g for Zn2+. In column mode: According to the results of the analysis showed that the ability to remove zinc ions of the adsorbent highest achieved at pH 5, the adsorption column height is 25 cm, the water flow in 3 ml / min and the optimal concentration is 100 mg/l. BioM - SP8 - PUF adsorbed Zn2+ with maximum adsorption capacity of 134,31 mg/g material. Results showed that Spirulina platensis was a potential adsorbent in the removal of Zn2+. Keywords: Spirulina Platensis, zinc, biosorbent. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................... 3 1.1. Tổng quan về kim loại kẽm ........................................................................ 3 1.1.1. Nguồn gốc và tính chất kim loại kẽm ..................................................... 3 1.1.2 Ảnh hưởng của kẽm đến môi trường và sức khỏe con người .................. 4 1.1.3 Thực trạng ô nhiễm kẽm .......................................................................... 5 1.2. Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước .................................... 5 1.2.1. Phương pháp kết tủa hóa học .................................................................. 9 1.2.2. Phương pháp trao đổi ion ........................................................................ 9 1.2.3. Phương pháp điện hóa ........................................................................... 10 1.2.4. Phương pháp oxy hóa khử .................................................................... 11 1.2.5. Phương pháp tạo Pherit ......................................................................... 12 1.2.6. Phương pháp sinh học ........................................................................... 12 1.2.7. Phương pháp hấp phụ ............................................................................ 13 1.2.8. Phương pháp hấp phụ sinh học ............................................................. 19 1.3. Nghiên cứu sử dụng tảo làm VLHPSH trong xử lý kim loại nặng .......... 21 1.4. Nghiên cứu sử dụng Spirulina platensis như VLHPSH trong xử lý kim loại nặng .................................................................................................. 23 1.5. Tổng quan khối bọt Polyurethane (PUF) .......................................................... 24 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 26 2.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................... 26 2.1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................... 26 2.1.2. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất .................................................................... 26 2.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 27 2.2.1. Xác định tốc độ sinh trưởng .................................................................. 28 vi 2.2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ ........................................................................ 29 2.2.3. Phương pháp thực nghiệm khảo sát hấp phụ ........................................ 30 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................... 36 3.1. Nghiên cứu tuyển chọn chủng Spirulina platensis để sản xuất sinh khối làm vật liệu hấp phụ sinh học .......................................................................... 36 3.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ trên VLHP Spirulina platensis SP8 (BioM SP8) trên chế độ tĩnh ..................................................... 37 3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng tảo lên khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ của vật liệu BioM SP8 ..................................................................... 37 3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc lên khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ của VLHP Spirulina platensis .......................................................... 39 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ của BioM SP8.................................................................................................. 41 3.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ của BioM - SP8 ...................................................................................................... 43 3.2.5. Hấp phụ đẳng nhiệt theo mô hình Langmuir ........................................ 45 3.2.6. Nhận xét và bình luận ........................................................................... 47 3.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ trên VLHP BioM – SP8 ở chế độ cột ............................................................................................................................. 45 3.3.1. Vật liệu hấp phụ sinh học BioM – SP8 – PUF .................................... 50 3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao cột lên khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ của BioM - SP8- PUF ............................................................................. 51 3.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ kẽm đầu vào lên khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF ............................................................. 63 3.3.5. Nhận xét và bình luận ........................................................................... 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 72 vii THÔNG TIN LUẬN VĂN + Họ và tên học viên: Trần Kiều Mai + Lớp: CH2B.MT Khoá: 2016 - 2018 + Cán bộ hướng dẫn: - TS. Nguyễn Thu Huyền + Tên đề tài: ―Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kẽm trên tảo Spirulina platensis cố định trên khối bọt polyurethane (PUF)” + Tóm tắt:  Nội dung nghiên cứu: 1. Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp xử lý kẽm trong nước thải. 2. Nghiên cứu tuyển chọn chủng Spirulina platensis để sản xuất sinh khối làm vật liệu hấp phụ sinh học. 3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ trên VLHP Spirulina platensis SP8 (BioM SP8) trên chế độ tĩnh. 4. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ trên VLHP Spirulina platensis SP8 (BioM SP8) trên chế cột.  Kết quả nghiên cứu: 1.Sinh khối khô tảo Spirulina platensis sử dụng để nghiên cứu loại bỏ ion kẽm trong nước thải. Quá trình nghiên cứu loại bỏ ion kẽm trong nước thải bằng tảo Spirulina platensis được thực hiện ở chế độ tĩnh và chế độ cột. Thông qua kết quả nghiên cứu, đánh giá đã khẳng định sinh khối khô tảo Spirulina platensis có khả năng loại bỏ ion kẽm trong nước thải. 2.Ở chế độ tĩnh: Kết quả thu được cho thấy hiệu suất loại bỏ Zn2+ của vật liệu rất cao đạt tới 96,37%. Khả năng xử lý cao nhất đạt được ở pH 5, 0,05 g/l BioM SP8, nhiệt độ 35 °C, nồng độ kẽm ban đầu là 100 mg/l trong thời gian tiếp xúc là 90 phút. Mô hình đẳng nhiệt Langmuir được sử dụng để nhiệt mô tả đường hấp phụ đẳng các ion kẽm của Spirulina platensis SP8. Kết quả cho thấy rằng Spirulina viii platensis là một chất hấp phụ tiềm năng trong loại bỏ Zn2+, với khả năng hấp phụ Zn2+ tối đa đạt đến 454,54 mg/g. 3.Ở chế độ cột: Theo các kết quả phân tích cho thấy khả năng loại bỏ ion kẽm của vật liệu hấp phụ cao nhất đạt được ở pH tối ưu là 5, chiều cao cột hấp phụ là 25 cm, lưu lượng nước đầu vào là 3 ml/phút và nồng độ tối ưu là 100 mg/l. BioM – SP8 - PUF hấp phụ Zn2+ đạt dung lượng hấp phụ cực đại là 134,31 mg/g vật liệu. 4.Kết quả cho thấy rằng Spirulina platensis là một chất hấp phụ tiềm năng trong loại bỏ Zn2+. ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VLHP Vật liệu hấp phụ VLHPSH Vật liệu hấp phụ sinh học KLN Kim loại nặng Kẽm Zn FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại SEM Phương pháp kính hiển vi điện tử quét AAS Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử x DANH MỤC BẢNG Bảng 3. 1 Các thông số sinh trường của 07 Spirulina platensis có sục 5% khí CO2 .................................................................................................................. 36 Bảng 3. 2 Ảnh hưởng của khối lượng BioM SP8 lên khả năng xử lý kim loại Zn 2+ ............................................................................................. 38 Bảng 3. 3 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc lên khả năng xử lý kim loại Zn 2+ của BioM SP8.................................................................................................. 40 Bảng 3. 4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM SP8 ................................................................................................................... 42 Bảng 3. 5 Ảnh hưởng của pH lên khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM SP8................................................................................................................... 44 Bảng 3.6. Bảng thống kê hằng số hấp phụ KL và hằng số cân bằng RL đối với nồng độ dung dịch ........................................................................................... 46 Bảng 3.7. So sánh khả năng hấp phụ sinh học Zn +2 của BioM – SP8 với vật liệu hấp phụ sinh học khác ở chế độ tĩnh ........................................................ 47 Bảng 3. 8 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với chiều cao vật liệu 15 cm............................................................................ 52 Bảng 3. 9 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với chiều cao vật liệu 20 cm............................................................................ 53 Bảng 3. 10 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với chiều cao vật liệu 25 cm............................................................................ 54 Bảng 3. 11 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với chiều cao vật liệu 30 cm............................................................................ 55 Bảng 3. 12 So sánh khả năng xử lý xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với các chiều cao cột khác nhau ...................................................................... 56 Bảng 3. 13 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với tốc độ 3 ml/phút ........................................................................................ 58 xi Bảng 3.14 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với tốc độ 5 ml/phút ........................................................................................ 59 Bảng 3.15 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với tốc độ 10 ml/phút ...................................................................................... 60 Bảng 3.16 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với tốc độ 15 ml/phút ...................................................................................... 61 Bảng 3. 17 So sánh khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với các lưu lượng nước khác nhau ........................................................................ 62 Bảng 3.18 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với nồng độ Zn2+đầu vào 100 mg/l ................................................................. 64 Bảng 3. 19 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với nồng độ Zn2+đầu vào 150 mg/l ................................................................. 65 Bảng 3. 20 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với nồng độ Zn2+đầu vào 200 mg/l ................................................................. 66 Bảng 3.21 Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với nồng độ Zn2+đầu vào 300 mg/l ................................................................. 67 Bảng 3. 22 So sánh khả năng xử lý kim loại Zn2+ của BioM - SP8 – PUF với nồng độ kẽm đầu vào khác nhau ..................................................................... 67 Bảng 3.23 So sánh khả năng hấp phụ sinh học Zn +2 của BioM – SP8 với vật liệu hấp phụ sinh học khác ở chế độ tĩnh ........................................................ 69 xii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ............................................. 17 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Cf /q vào Cf ......................................................... 17 Hình 1.3. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich............................................ 18 Hình 1.4. Sự phụ thuộc lgq vào lgC ................................................................ 18 Hình 2. 1. Quy trình thực nghiệm khảo sát hấp phụ ....................................... 31 Hình 2.2. Mô hình thí nghiệm ở chế độ cột .................................................... 34 Hình 3. 1. Ảnh hưởng của khối lượng BioM SP8 đến hiệu suất hấp phụ Zn2+ ........................................................................................................... 39 Hình 3. 2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới hiệu suất hấp phụ của vật liệu BioM SP8 ........................................................................................................ 41 Hình 3. 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hấp phụ ............................. 42 Hình 3. 4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ của vật liệu ................. 45 Hình 3. 5. Sự phụ thuộc Ce/qe vào Ce đối với mô hình Langmuir ................ 46 Hình 3.6. FTIR của S. platensis trước (a) và sau khi hấp phụ (b) .................. 48 Hình 3.7. Ảnh SEM của PUF ban đầu ............................................................ 50 Hình 3.8. Ảnh SEM của BioM – SP8 – PUF .................................................. 50 Hình 3.9. Ảnh SEM của BioM – SP8 – PUF sau khi hấp phụ Zn2+ ............... 50 Hình 3.10. Ảnh hưởng của chiều cao cột đến khả năng hấp phụ Zn2+ của BioM - SP8 – PUF .......................................................................................... 57 Hình 3.11. Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy đến khả năng hấp phụ Zn2+ của BioM - SP8 - PUF ........................................................................................... 62 Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ kẽm đầu vào đến khả năng hấp phụ Zn2+ của BioM - SP8 – PUF .................................................................................... 68 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế, xã hội thì các vấn đề về môi trường cũng được quan tâm rất nhiều. Bảo vệ môi trường là một chiến lược có tầm quan trọng đặc biệt, là bộ phận cấu thành không thể tách rời của chiến lược phát triển kinh tế - xã hội, là cơ sở quan trọng bảo đảm phát triển bền vững của từng quốc gia, địa phương và khu vực. Phát triển kinh tế phải kết hợp chặt chẽ, hài hòa với phát triển xã hội và bảo vệ môi trường. Song song với sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp là sự gia tăng nhanh hàm lượng kim loại nặng trong các nguồn nước thải nếu như không được xử lý trước khi xả ra môi trường sẽ làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người và hệ sinh thái khu vực. Vấn đề xử lý kim loại nặng có trong nước thải công nghiệp đã trở thành vấn đề quan trọng đối với các cấp ngành có liên quan để duy trì chất lượng nước, bảo vệ môi trường sống của sinh vật thủy sinh cũng như con người. Hiện nay, có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: Phương pháp hóa học, phương pháp sinh học, phương pháp lý hóa (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion),... Tuy nhiên, các phương pháp này đều có những nhược điểm lớn đó là chi phí đầu tư, vận hành cao, quá trình vận hành đòi hỏi nhân viên phải có chuyên môn sâu để kiểm soát các quá trình xử lý. Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu hướng đến việc sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học để xử lý kim loại nặng trong nước. Các nghiên cứu bước đầu đã cho thấy sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học có thể tách được đồng thời nhiều kim loại nặng có trong nước, có khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ và có thể thu hồi được kim loại. Đặc biệt, phương pháp này sử dụng nguyên liệu dễ kiếm, chi phí thấp và còn có thể tái sinh, sử dụng lại. Bên cạnh đó, việc sử dụng kết hợp giữa vi tảo với vật liệu mang với mục đích nhằm giảm đến mức thấp nhất các tác động của môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, áp suất,... tăng hiệu quả xử lý cũng được nghiên cứu thử nghiệm để áp dụng ra thực tế. 2 Với mục tiêu làm sạch nguồn nước bảo vệ môi trường, góp phần phát triển bền vững kinh tế - xã hội. Việc tìm ra công nghệ xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng đạt hiệu quả cao và thân thiện với môi trường, giảm chi phí đầu tư, chi phí vận hành là một vấn đề cấp thiết hiện nay. Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn đề tài: ―Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kẽm trên tảo Spirulina platensis cố định trên khối bọt polyurethane (PUF)‖ để nghiên cứu. 1. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu một cách có hệ thống, chế tạo VLHP ion Zn2+ bằng tảo Spirulina platensis cố định trên khối bọt polyurethane (PUF). - Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố (khối lượng tảo, nồng độ Zn2+ đầu vào, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ, pH) lên khả năng hấp phụ ion Zn2+ đối với tảo Spirulina platensis cố định trên khối bọt polyurethane (PUF) trên mô hình tĩnh và mô hình động. Qua đó, tìm ra được các điều kiện tối ưu vận hành mô hình. 2. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp xử lý kẽm trong nước thải. Nội dung 2: Nghiên cứu tuyển chọn chủng Spirulina platensis để sản xuất sinh khối làm vật liệu hấp phụ sinh học. Nội dung 3: Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ trên VLHP Spirulina platensis SP8 (BioM SP8) trên chế độ tĩnh. Nội dung 4: Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại Zn2+ trên VLHP Spirulina platensis SP8 (BioM SP8) trên chế cột. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về kim loại kẽm 1.1.1. Nguồn gốc và tính chất kim loại kẽm a) Nguồn gốc Kẽm là một nguyên tố kim loại, kí hiệu là Zn và số hiệu hóa học là 30 - là nguyên tố đầu tiên trong nhóm 12 của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Kẽm là nguyên tố cần thiết để duy trì sự sống của con người và động vật. Sự thiếu hụt kẽm để lại những hiệu ứng rõ nét trong việc tăng trọng của động vật. Kẽm tìm thấy trong insulin, các protein chứa kẽm và các enzym như superoxit dismutas Kẽm, trên một số phương diện, có tính chất hóa học giống với magiê, vì ion của chúng có bán kính giống nhau và có trạng thái ôxy hóa duy nhất ở điều kiện bình thường là +2. Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 24 trong lớp vỏ Trái Đất và có 5 đồng vị bền (64Zn, 66 Zn, 67 Zn, 68 Zn và 70 Zn). Trong đó đồng vị 64 là phổ biến nhất (48,6% trong tự nhiên). Quặng kẽm phổ biến nhất là quặng sphalerit, một loại kẽm sulfua. Kẽm chiếm khoảng 75 ppm (0,0075%) trong vỏ Trái Đất, là nguyên tố phổ biến thứ 24. Đất chứa 5 - 770 ppm kẽm với giá trị trung bình 64 ppm. Nước biển chỉ chứa 30 ppb kẽm và trong khí quyển chứa 0,1 - 4 µg/m3. Nguyên tố này thường đi cùng với các nguyên tố kim loại thông thường khác như đồng và chì ở dạng quặng. Kẽm là một nguyên tố ưa tạo quặng (chalcophile), nghĩa là nguyên tố có ái lực thấp với oxy và thường liên kết với lưu huỳnh để tạo ra các sulfua. Các nguyên tố ưa tạo quặng hình thành ở dạng lớp vỏ hóa cứng trong các điều kiện khử của khí quyển Trái Đất. Sphalerit là một dạng kẽm sulfua, và là loại quặng chứa nhiều kẽm nhất với hàm lượng kẽm lên đến 60–62%[1]. b) Tính chất + Tính chất vật lý Kẽm là kim loại có màu lam nhạt, giòn ở nhiệt độ phòng, dẻo ở nhiệt độ 100 150oC, giòn trở lại ở nhiệt độ trên 200oC. Zn có khối lượng riêng bằng 7,13 g/cm3, nóng chảy ở 419,5oC, sôi ở 906oC. Kẽm có thế điện cực chuẩn: Zn đứng sau Mn và trước Cr trong dãy hoạt động hoá học của kim loại. 4 + Tính chất hóa học Kẽm có cấu hình electron là [Ar]3d104s2, có phân lớp 3d bền vững với 10e. Vì vậy, ta thấy Zn có cấu hình tương tự như các nguyên tố nhóm IIA nên Zn cũng dễ dàng cho 2e để tạo ion Zn2+. Zn là kim loại có độ hoạt động trung bình và là chất oxi hóa mạnh. Tính chất hóa học của kẽm đặc trưng bởi trạng thái oxi hóa +2. Zn là kim loại hoạt động mạnh, có tính khử mạnh. Zn tác dụng được với nhiều phi kim và các dung dịch axit, kiềm, muối. Tuy nhiên, Zn không bị oxi hóa trong không khí, trong nước vì trên bề mặt Zn có một lớp màng mỏng oxit hoăc cacbonat bazơ bảo vệ. 1.1.2 Ảnh hƣởng của kẽm đến môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời a) Đối với môi trường Một cuộc thăm dò được tiến hành hằng năm ở Anh và xứ Wales về chất thải có chứa kim loại nặng từ phân gia súc cho thấy, mức độ kim loại nặng cao nhất thải ra từ đất nông nghiệp là Kẽm (lên đến 3,3 kg/ha) tại khu vực chăn nuôi lợn vùng Tây Anglia và Humberside. Lượng kẽm thải ra từ phân vật nuôi gây ô nhiễm môi trường chiếm đến 35% so với các yếu tố gây ô nhiễm kim loại nặng khác. Sự dư thừa kẽm khi kẽm tích tụ quá cao trong đất gây độc đối với cây trồng, gây ra bệnh mất diệp lục. Sự tích tụ kẽm trong cây quá nhiều cũng liên quan đến mức thừa lượng kẽm trong cơ thể người và góp phần tăng sự tích tụ kẽm trong môi trường. Quá trình sản xuất từ quặng kẽm sulfua thải ra một lượng lớn lưu huỳnh đioxit và hơi cadmi. Xỉ nóng chảy và các chất cặn khác trong quá trình sản xuất cũng chứa một lượng kim loại nặng đang kể. Đất ô nhiễm kẽm từ hoạt động khai thác quặng chứa kẽm, tuyển, hoặc nơi sử dụng bùn chứa kẽm để làm phân, có thể chứa hàm lượng kẽm ở mức vài gam kẽm/kg đất khô. Hàm lượng kẽm trong đất cao hơn 500 ppm ảnh hưởng tới khả năng hấp thụ các kim loại cần thiết khác của thực vật, như sắt và mangan. b) Đối với con người Kẽm được đưa vào cơ thể chủ yếu qua đường tiêu hóa và được hấp phụ phần lớn ở ruột non. Khi vào cơ thể, phần lớn kẽm tập trung trong tế bào, chỉ một lượng 5 nhỏ trong huyết tương. Sau khi vào cơ thể nó được thải ra ngoài với một lượng lớn qua dịch ruột, dịch tụy (2 - 5 mg), qua nước tiểu (0,5 - 0,8 mg) và mồ hôi (0,5 mg)[1]. Kẽm kim loại không bị coi là độc, nhưng có những tình huống gọi là sự run kẽm hay ớn lạnh kẽm sinh ra do hít phải các dạng bột oxit kẽm nguyên chất, hít phải khói kẽm clorua sẽ bị tổn thương phổi, niêm mạc hô hấp và nếu tiếp xúc lâu có thể gây lở loét các ngón tay, bàn tay. Các muối kẽm gây ói mửa. Nếu bị ngộ độc kẽm sẽ thấy trong miệng có vị kim loại, mạch chậm, co giật[2]. Hiệp hội Kẽm quốc tế cho rằng nồng độ kẽm cao cũng có thể làm giảm hiệu quả của thuốc kháng sinh và các loại thuốc khác. Ngộ độc do kẽm cũng là ngộ độc do cấp tính, do ăn nhầm phải một lượng lớn kẽm (5 - 10 g ZnSO4 hoặc 3-5 g ZnCl2) có thể gây chết người với triệu chứng như có vị kim loại khó chịu và dai dẳng trong miệng, nôn, tiêu chảy, mồ hôi lạnh, mạch đập khẽ, chết sau 10 đến 48 giây. Thận có khả năng lọc tối đa khoảng 2 g Zn/ngày. Nếu thừa lượng kẽm lớn có thể gây ung thư, gây ngộ độc hệ thần kinh, ảnh hưởng lên tính nhạy cảm, sinh sản, gây độc hệ miễn dịch. Sự thiếu hụt Zn trong cơ thể có thể gây liệt dương, teo tinh hoàn, mù màu, viêm da, bệnh về gan và một số triệu chứng khác. Các viện y tế quốc gia tư vấn không quá 40 mg kẽm mỗi ngày. Theo ―Báo cáo về kim loại nặng và ảnh hưởng của nó đến con người‖ thì lượng kẽm tiếp nhận tối đa hằng ngày có thể chịu đựng là 1 mg/kg thể trọng. Để bảo đảm được giới hạn an toàn, chắc chắn giữa nồng độ kẽm có trong khẩu phần ăn hằng ngày với liều lượng kẽm có thể gây ngộ độc do tích lũy trong cơ thể, các nhà nghiên cứu về dinh dưỡng đã đưa ra quy định về giới hạn hàm lượng kẽm trong khẩu phần thức ăn hàng ngày là 5 - 10 ppm. Theo QCVN 40-2011/BTNMT về tiêu chuẩn kẽm trong nước thải công nghiệp là 3 mg/l. 1.1.3 Thực trạng ô nhiễm kẽm trong môi trƣờng nƣớc Trong những năm gần đây của nước ta, do phát triển kinh tế và gia tăng dân số nên môi trường nước ngày càng bị ô nhiễm bởi kim loại nặng mà nguồn gốc chủ yếu từ nông nhiệp, công nghiệp. Các kim loại nặng nói chung lại rất khó loại bỏ bằng các biện pháp xử lý nước thải thông thường và nếu chúng xâm nhập vào các 6 nguồn nước sinh hoạt ở mức cao hơn mức cho phép sẽ là nguồn gốc của nhiều bệnh hiểm nghèo, đe dọa sức khỏe và tính mạng của con người. Vì vậy, việc nghiên cứu và bảo vệ môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia và tổ chức trên Thế Giới[3]. + Ô nhiễm do kim loại nặng trong nông nghiệp gây ra Theo Nguyễn Xuân Kỳ (2009), ở Việt Nam hiện nay, tổng khối lượng chất thải chăn nuôi bình quân khoảng 73 triệu tấn/năm, trong đó chất thải chăn nuôi lợn chiếm khoảng 24,38 triệu tấn/năm tương đương 33,4%. Đồng (Cu) và kẽm (Zn) tồn dư trong chất thải chăn nuôi là hai trong nhiều yếu tố gây ô nhiễm kim loại nặng đối với đất. Việc bổ sung oxit kẽm (ZnO) với hàm lượng quá cao trong thức ăn cho lợn so với quy định để phòng ngừa tiêu chảy là nguyên nhân cơ bản dẫn đến tình trạng này. Theo ông Huỳnh Thanh Hùng (Khoa Nông học - ĐH Nông Lâm TP. HCM): ―Phần lớn người trồng rau đều sử dụng phân chuồng (lợn, gà), trong khi các vật nuôi này được nuôi bằng thức ăn tổng hợp. Thức ăn dạng này có nhiều khoáng đa lượng, vi lượng. Hàm lượng kim loại nặng trong phân của vật nuôi sẽ xâm nhập vào đất trồng rau và tồn lưu trong các nông sản, đặc biệt là đối với các loại rau ăn lá như cải ngọt, cải xanh, xà lách‖. Một cuộc khảo sát nhằm đánh giá ô nhiễm kim loại nặng gây ra bởi phân gia súc tại Anh Quốc cho thấy lượng kẽm thải ra từ phân vật nuôi gây ô nhiễm môi trường chiếm đến 35% so với các yếu tố gây ô nhiễm kim loại nặng khác. Ngoài ra, sử dụng các phân bón hóa học với hàm lượng lớn Zn trong một số phân P; thuốc bảo vệ thực vật Cu, Mn và Zn trong thuốc trừ nấm,…cũng gây ra các vấn đề ô nhiễm KLN. Do đó, kim loại kẽm được phát thải vào môi trường đất lâu ngày sẽ bị rửa trôi hoặc ngấm xuống nước dưới đất thông qua nước mưa hoặc các hoạt động canh tác nông nghiệp sẽ gây ra ô nhiễm môi trường đất và môi trường nước. + Một số hoạt động công nghiệp phát thải ra nhiều kim loại kẽm Hoạt động trong lĩnh vực công nghiệp mạ: đây là hoạt động chủ yếu gây ra ô nhiễm kẽm trong thực tế. Nước thải ngành xi mạ có hàm lượng cao các muối vô cơ