Dù được sử dụng rộng rãi và có nhiều thuận lợi, phương pháp kết tủa hydroxide cũng có một số hạn chế như tạo ra bùn thải lớn khó xử lý, khó tìm ra pH kết tủa thích hợp cho hydroxide kim
TỔNG QUAN
Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG
1.1.1.Khái quát về ô nhiễm kim loại nặng
Kim loại nặng là những kim loại có tỷ trọng cao (trên 5g/cm3), thường bao gồm As, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Zn Mặc dù một lượng rất nhỏ kim loại nặng là cần thiết cho sự phát triển của sinh vật, nhưng hàm lượng vượt mức sẽ gây độc tính cao, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe Khi xâm nhập vào cơ thể với nồng độ cao, kim loại nặng ức chế enzyme và cản trở quá trình tổng hợp protein.
Mặc dù ảnh hưởng có hại của kim loại nặng đã được biết đến từ rất lâu, nhưng việc tiếp xúc của con người với kim loại nặng vẫn tiếp tục xảy ra hàng ngày thậm chí ngày càng tăng trong nhiều lĩnh vực, như việc sử dụng thủy ngân trong khai thác vàng, Arsen trong bảo quản gỗ, Niken trong xi mạ,… Phát thải kim loại nặng vào môi trường từ nhiều con đường khác nhau bao gồm: thải vào không khí (đốt, khai thác, chế biến sản phẩm), thải vào trong nước (thông qua nước rửa, qua quá trình vận chuyển, lưu trữ), thải vào trong đất, sau đó đi vào trong nước ngầm, gây nhiễm độc cây trồng Đặc biệt và nghiêm trọng hơn là các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp mạ điện, luyện kim, điện tử,… đã tạo ra nguồn ô nhiễm chính chứa kim loại nặng, có thể gây bệnh ung thư, biến đổi gen trên con người cũng như ảnh hưởng đến môi trường [2-4]
Trong số các kim loại nặng kể trên, Niken (Ni) và Kẽm (Zn) là hai kim loại nặng thường hay gặp trong nước thải ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là nước thải nhà máy xi mạ Các đặc điểm của Niken và Kẽm được trình bày sau đây
1.1.1.1 Niken (Ni) và tác hại
Niken là một nguyên tố tồn tại tự nhiên trong vỏ trái đất Niken có thể xuất hiện trong một số trạng thái oxi hóa nhưng chỉ có Niken(II) bền vững trên dãy pH rộng [2]
Nhờ đặc tính vật lý hóa học, Niken và hợp chất của nó có nhiều ứng dụng thiết thực như: dùng trong nhà máy luyện thép hợp kim, công nghiệp pin, xi mạ Nước thải của các ngành công nghiệp này thường chứa Niken với nồng độ cao, ảnh hưởng đến môi trường nước Vì vậy, việc xử lý hiệu quả nước thải chứa Niken để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người là rất cần thiết.
2 ngành công nghiệp trên và khói thải động cơ diesel, khói thải than đá,… là các nguồn phát thải chính của Ni(II) [2-4]
Ni(II) rất có hại nếu thải ra nguồn nước tự nhiên Ni(II) xâm nhập vào cơ thể chủ yếu qua đường hô hấp, ngộ độc cấp tính của Ni(II) gây ra đau đầu, chóng mặt, buồn nôn và ói mửa, đau ngực, tức ngực, ho khan và khó thở, hô hấp nhanh, tím tái và yếu ớt Nếu tiếp xúc nhiều với Niken sẽ ảnh hưởng xấu đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận, ở mức độ nghiêm trọng có thể gây ung thư phổi, mũi và xương [3, 4] Da tiếp xúc với Ni sẽ gây hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng,… Ước tính với nồng độ Niken carbonyl [Ni(CO)4] khoảng 30mg/L trong khí quyển có thể gây tử vong cho người tiếp xúc [3] Sở dĩ Ni(II) gây ra các độc tính là do nó có thể thay thế các kim loại thiết yếu trong các enzyme và gây ra sự đứt gãy các đường trao đổi chất trong cơ thể sinh vật và người Ngoài ra, Ni(II) kìm hãm sự phát triển của cây và ảnh hưởng môi trường, đất, không khí, nước [2]
1.1.1.2 Kẽm (Zn) và tác hại
Trạng thái oxi hóa duy nhất của kẽm ở điều kiện thường là Zn(II) [2] Kẽm được sử dụng rất phổ biến chỉ sau sắt, nhôm, đồng trong công nghiệp và đời sống Kẽm thường được sử dụng trong pin, làm chất chống ăn mòn trong công nghiệp xi mạ, rất nhiều hợp kim của kẽm được sử dụng rộng rãi, kẽm oxit được sử dụng làm chất tạo màu trắng trong sơn,…[2]
Kẽm là một khoáng chất vi lượng thiết yếu cho sự tồn tại và sức khỏe của con người, động vật và thực vật bậc cao Thiếu kẽm có thể gây suy giảm chức năng do vai trò cấu tạo và xúc tác của kẽm trong nhiều enzyme liên quan đến quá trình đồng hóa năng lượng và chuyển hóa chất Ở người, thiếu kẽm có thể dẫn đến giảm trí tuệ, suy giảm khả năng miễn dịch và rối loạn vị giác Đối với động vật bậc cao, kẽm được hấp thụ chủ yếu dưới dạng ion kẽm (Zn2+) vì Zn2+ là thành phần kim loại của enzyme.
Tuy nhiên, hàm lượng kẽm cao gây hại cho sức khỏe Các nghiên cứu cho thấy Zn 2+ rất độc hại khi vượt mức cho phép, các triệu chứng của ngộ độc kẽm bao gồm
Ô nhiễm kẽm gây ra các tác động sinh thái tiêu cực, khiến hệ động thực vật tích tụ sinh học các kim loại nặng này Hậu quả của quá trình tích tụ này bao gồm các vấn đề sức khỏe ở động vật, chẳng hạn như cứng cơ, chán ăn và buồn nôn Hệ sinh thái cũng bị ảnh hưởng bởi sự tích tụ kẽm và các kim loại nặng khác, gây ra các tác động lâu dài đối với sức khỏe của hệ động thực vật.
Nguồn gốc chủ yếu phát thải kẽm vào môi trường là từ các quá trình khai thác mỏ, tinh chế quặng kẽm, chì và cadmium, công nghiệp sản xuất thép, quá trình đốt than và các chất thải, nước thải từ các quá trình xi mạ, sản xuất dược phẩm, sơn, bột màu, thuốc trừ sâu, mỹ phẩm [2, 5]
Vấn đề đặt ra là phải xử lý loại bỏ Zn(II) và Ni(II) ra khỏi nguồn nước thải trước khi thải ra môi trường Các phương pháp xử lý như kết tủa hóa học, điện phân, trao đổi ion, lọc, kết tủa điện, quá trình lọc và hấp phụ trên than hoạt tính,… [3, 6] Trong các phương pháp xử lý, hấp phụ là một phương pháp có hiệu quả cao, giá rẻ và dễ áp dụng [5]
1.1.2 Một số phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng
1.1.2.1 Phương pháp kết tủa hóa học Xử lý kim loại nặng bằng phương pháp kết tủa [7] là phương pháp hiệu quả và được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Trong quá trình kết tủa, hóa chất phản ứng với các kim loại nặng để tạo thành kết tủa không tan, kết tủa hình thành có thể được tách ra khỏi dung dịch bằng cách lắng hoặc lọc Phương pháp kết tủa hóa học thông thường gồm: kết tủa hydroxide và kết tủa sulfide Kỹ thuật kết tủa hóa học được sử dụng rộng rãi nhất [7] là kết tủa hydroxide do tương đối đơn giản, chi phí thấp và dễ dàng kiểm soát độ pH Các hydroxide kim loại tan kém nhất ở khoảng pH từ 8 đến 11, tại pH này các hydroxide kim loại được loại bỏ bằng kết tủa và lắng xuống Nhiều hydroxide được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi nước thải, trong đó vôi bột thường được sử dụng do chi phí thấp Dù được sử dụng rộng rãi và có nhiều thuận lợi, phương pháp kết tủa hydroxide cũng có một số hạn chế như tạo ra bùn thải lớn khó xử lý, khó tìm ra pH kết tủa thích hợp cho hydroxide kim loại lưỡng tính và hỗn hợp các hydroxide kim loại nặng, một hạn chế khác là các tác nhân tạo phức hiện diện trong nước thải sẽ ức chế sự kết tủa kim loại [7]
Phương pháp kết tủa hóa học khi kết hợp với phương pháp khác có thể đạt hiệu quả cao hơn Kết tủa hóa học là phương pháp truyền thống xử lý kim loại nặng trong nước thải, có ưu điểm là chi phí thấp và quá trình đơn giản Kết tủa hóa học thường
Phương pháp 4 dùng để xử lý nước thải có nồng độ ion kim loại cao, nhưng không hiệu quả với nước thải có nồng độ ion kim loại thấp Hạn chế của phương pháp này là không kinh tế và tạo ra nhiều bùn thải khó xử lý.
1.1.2.2 Phương pháp trao đổi ion
LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ
Sự hấp phụ [10] là hiện tượng bề mặt nhằm thu hút chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ, làm giảm sức căng bề mặt của chất hấp phụ Ngược với sự hấp phụ, quá trình đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ gọi là sự giải hấp hoặc phản hấp Khi tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì sự hấp phụ ở trạng thái cân bằng 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 [10] gây ra bởi lực vật lý (lực tương tác phân tử), các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân ở bề mặt chất hấp phụ bằng các loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Do lực hấp phụ yếu, nên hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch Khi nhiệt độ tăng, lực tương tác phân tử giảm nên độ hấp phụ vật lý giảm.Vì vậy hấp phụ vật lý thường tiến hành ở nhiệt độ thấp (thấp hơn nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụ) Hấp phụ vật lý có thể là hấp phụ đơn lớp hoặc đơn phân tử, cũng có thể là đa lớp hoặc đa phân tử [10]
Hấp phụ hóa học là quá trình liên kết giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ thông qua các lực liên kết hóa học (lực ion, cộng hóa trị, phối trí, ) Do đó, hấp phụ hóa học mang tính chất của phản ứng hóa học, tạo thành hợp chất hóa học giữa các phân tử chất tham gia Đặc điểm của hấp phụ hóa học là khó thuận nghịch, nghĩa là phản hấp diễn ra khó khăn Nhiệt độ càng tăng, tốc độ phản ứng hóa học càng tăng, dẫn đến độ hấp phụ hóa học cũng tăng lên.
1.2.2 Hấp phụ ion trong môi trường nước
Trong môi trường nước, sự hấp phụ các ion là hiện tượng ion được hấp phụ lên bề mặt vật liệu rắn mang điện tích, chúng mang điện tích trái dấu với điện tích bề mặt vật liệu hấp phụ Khi đó, các ion trái dấu với các ion đã bị hấp phụ sẽ cùng các ion đã bị hấp phụ tạo ra một lớp điện tích kép Khả năng bị hấp phụ của các ion cùng điện tích tăng theo bán kính ion, lý giải là do độ phân cực của ion tăng và lớp vỏ hydrat mỏng đi, tương tác điện giữa các ion càng tăng.
9 Điện tích ion càng lớn thì tương tác điện càng mạnh và khả năng bị hấp phụ càng tăng
Ví dụ: K +
