XỬ LÝ CADIMIUM BẰNG PP HẤP PHỤ HÓA HỌC ĐIỆN HÓA

MỤC LỤC 1 I. MỞ ĐẦU 2 II. NỘI DUNG 3 1. Đại cương về nguyên tố Cadmium 3 1.1. Đặc điểm nguyên tố 3 1.2. Trạng thái thiên nhiên, độc tính, phương pháp điều chế và ứng dụng Cadmium 3 1.2.1. Trạng thái thiên nhiên 3 1.2.2. Độc tính của Cadmium 4 1.2.3. Điều chế Cadmium 5 1.2.4 Ứng dụng 5 2. Các phương pháp xử lí Cadmium trong nước 5 2.1. Phương pháp hấp phụ 5 2.1.1. Các chất hấp phụ 6 2.1.2. Hấp phụ Cadmium bằng than bùn. 6 2.2. Phương pháp điện hóa 7 2.2.1 Oxy hóa của anot và khử của catot 7 2.2.2 Khử Cadmium 8 2.3. Phương pháp hóa học: 8 2.3.1. Phương pháp trung hòa: 9 2.3.2. Phương pháp oxy hóa – khử: 10 2.3.3. Phương pháp kết tủa: 10 2.3.3.1 Nguyên tắc: 10 2.3.3.2. Các tác chất dùng trong xử lí Kim loại nặng: 11 2.3.3.3. Xử lí Cadmium 11 III. KẾT LUẬN 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA

 Đề tài:

XỬ LÝ CADMIUM TRONG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ, HÓA HỌC VÀ ĐIỆN HÓA

Giảng viên hướng dẫn Học viên thực hiện

Lớp : Hóa Vô cơ – K22

Thừa Thiên Huế, 1/2014

MỤC LỤC

Tiêu chuẩn cho phép của Cd trong nước: .5

I MỞ ĐẦU

Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, do hoạt động của con người đã làm cho môi trường sống ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng Xử

lý ô nhiễm môi trường là một vấn đề vô cùng cấp thiết, là một bài toán đặt ra cho toàn nhân loại

Ở Việt Nam, do đặc thù ngành công nghiệp mới phát triển, chưa có sự quy hoạch tổng thể và nhiều nguyên nhân khác như: Điều kiện kinh tế của xí nghiệp còn khó khăn hoặc do chi phí xử lý ảnh hưởng tới lợi nhuận nên hầu hết chất thải công nghiệp được thải trực tiếp ra môi trường làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước, đất và không khí trở nên nghiêm trọng, làm phương hại đến sức khỏe cộng đồng

Để phục vụ mục đích xử lý môi trường, có nhiều công nghệ xử lý nước thải đã

và đang được ứng dụng rộng rãi, bởi vì nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá, là yếu tố không thể thiếu được cho mọi hoạt động sống trên trái đất Nhiễm độc nguồn nước phần lớn là do các ion kim loại nặng như: Hg, Pb, Cd, Cu, Cr… gây ra

Vấn đề loại bỏ, làm giảm lượng kim loại nặng độc hại trong nước xuống mức cho phép có ý nghĩa hết sức quan trọng trong công cuộc bảo vệ môi trường

Trong số các kim loại nặng thì Cadmium là một kim loại nặng có độc tính cao với động vật và con người, có thể gây ra bệnh ung thư, huyết áp cao, bệnh về xương, thận Vì vậy việc xử lý Cadmium trong nước thải là rất cần thiết

Trong tiểu luận này, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài ”Xử lí Cadmium trong nước bằng phương pháp hấp phụ, hóa học và điện hóa” nhằm đưa ra một số biện

pháp có hiệu quả để loại bỏ Cadmium ra khỏi nước thải nhằm góp phần bảo vệ môi trường

II NỘI DUNG

1 Đại cương về nguyên tố Cadmium

1.1 Đặc điểm nguyên tố

Cadmium (Cd) thuộc nhóm II B trong bảng hệ thống tuần hoàn, là một kim loại hiếm Đứng cuối cùng trong dãy các nguyên tố d ở chu kì 5 Vì vậy Nguyên tử Cd

có các obitan đã điền đầy đủ các electron, tương tự Ag, Cu, Au nhưng cấu hình (n-1)d10 trong trường hợp này tương đối bền Thật vậy, trong khi đó các nguyên tử Cu,

Ag và Au có khả năng mất 1 hoặc 2 electron d tạo nên những trạng thái oxi hóa +2 hoặc +3, Nhưng Cd không có khả năng đó, nghĩa là electron hóa trị của Cd chỉ là electron s Vì vậy trạng thái oxi hóa của Cd cao nhất là +2

1.2 Trạng thái thiên nhiên, độc tính, phương pháp điều chế và ứng dụng Cadmium

1.2.1 Trạng thái thiên nhiên

Cadmium là nguyên tố kém phổ biến, trữ lượng của Cd trong vỏ trái đất là 7,6.10-6% tổng số nguyên tử tương ứng Khoáng vật chính là grenokit(CdS), khoáng vật này hiếm khi ở riêng và thường lẫn với khoáng vật của kẽm Cd thường có trong những quặng đa kim cùng với Chì và Đồng

Cadmium được phát hiện vào năm 1817 bởi nhà khoa học người Đức Stromâye (F.Stromeyer, 1778-1835) Khi điều chế ZnO bằng cách nhiệt phân ZnCO3, ông nhận thấy màu vàng của kẽm oxit nóng thu được không bị biến mất khi để nguội (trước đó người ta đã biết ZnO có màu trắng, khi đun nóng có màu vàng và khi để nguội trở lại có màu trắng) Khi hòa tan oxit đó vào axit rồi sục khí H2S qua dung dịch, ông thấy xuất hiện kết tủa vàng Đó là sunfua của kim loại mới, ông đặc tên nguyên tố đó là Cadmium(Cd) xuất phát từ tiếng La Tinh Cadmia là tên gọi quặng kẽm thời bấy giờ

1.2.2 Độc tính của Cadmium

Cadmium xâm nhập vào khí quyển, nước qua nguồn tự nhiên và nhân tạo Bụi núi lửa, bụi đại dương, lửa rừng và các đá bị phong hóa là nguồn gốc tự nhiên chính, đặc biệt là núi lửa gây ô nhiễm Cadmium Trong nguồn nhân tạo thì công nghiệp luyện kim ( Khói bụi, khí thải khi chế biến chì, sắt, kẽm ), nước rửa của ngành đúc điện, bùn thải của các trạm làm nước sạch, lọc dầu gây ô nhiễm Cadmium nhiều nhất

Cadmium không có chức năng sinh học thiết yếu lại có độc hại cao đối với thực vật và động vật Chất độc Cd có thể tích lũy trong những thực vật trên những vùng đất bị ô nhiễm Sự tích lũy của nó trong nhóm cây thực phẩm ở mức độ độc tố thực vật cao là nguyên nhân lớn gây ngộ độc thực phẩm Thậm chí, sự tích lũy của Cadmium trong thực phẩm gây ngộ độc có thể ảnh hưởng trầm trọng trong một thời gian dài Không có dấu hiệu biểu hiện bên ngoài khi thực vật nhiễm độc Cd Tuy

nhiên tính độc của Cd biểu thị bệnh vàng lá, sự héo và tình trạng ngưng phát triển nhưng lại hiếm khi tìm ra nguyên nhân

Đối với con người, Cd xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu qua thức ăn từ thực vật, được trồng trên đất giàu Cd hoặc được tưới bằng nước có chứa nhiều Cd Cd sau khi xâm nhập vào cơ thể được tích tụ ở thận và xương Trong cơ thể người Cd gây nhiễu sự hoạt động của một số enzym nhất định, gây nên hội chứng tăng huyết

áp và ung thư phổi, làm rối loạn chức năng thận gây ra thiếu máu và phá hủy tủy xương

Tiêu chuẩn cho phép của Cd trong nước:

Giới hạn độc tính của Cd lên cơ thể người là: PTWI = 0,007 mg/kg trọng lượng

cơ thể người/ tuần

Tiêu chuẩn của WHO đối với nồng độ tối đa của nước uống là: 0,005 mg/l Tiêu chuẩn Việt Nam cho phép nồng độ Cadmium trong nước sinh hoạt: 0,005 mg/l

1.2.3 Điều chế Cadmium

Cadmium thường được tách ra khi tinh chế dung dịch ZnSO4 thu được trong

thủy luyện kẽm, dung dịch đó có thể chứa các tạp chất như FeSO4, CuSO4 và CdSO4 Để loại bỏ sắt người ta cho thêm vào dung dịch đó MnO2 rồi CaCO3

FeSO4 + MnO2 + 2 H2O → FeOHSO4 + Mn(OH)3

FeOHSO4 + CaCO3 + H2O→ Fe(OH)3 + CaSO4 + CO2

Dung dịch sau khi lọc kết tủa còn chứa CuSO4 và CdSO4, khi thêm bột Zn vào dung dịch đó thì Cu và Cd sẽ kết tủa Hòa tan dung dịch đó bằng dung dịch H2SO4 loãng và cho thêm Zn bụi vào dung dịch CdSO4 thu được để Cd kết tủa

Zn + CdSO4 → Cd + ZnSO4

Cadmium kim loại được tinh chế bằng phương pháp điện phân dung dịch CdSO4 với cực dương là Cd thô hoặc bằng cách chưng cất phân đoạn kim loại thô ở trong chân không

1.2.4 Ứng dụng

Cadmium có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như: Chất quang dẫn, chất bán dẫn, pin, đèn chân không, màn X- Quang, màn nhấp nháp Chất này còn được

sử dụng trong kỹ thuật đúc, điện, sản xuất gương, trong lĩnh vực bôi trơn, phân tích hóa học , xúc tác

Do có nhiều ứng dụng nên người ta chỉ thu hồi được khoảng 10% cadmium đã

sử dụng còn phần lớn thoát ra môi trường

2 Các phương pháp xử lí Cadmium trong nước

2.1 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp được sử dụng rộng rãi để làm sạch nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan: phenol, ankylbenzen, sunfonic axit, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm sau khi đã xử lý sinh hóa hoặc đã xử lý sơ bộ nước thải bằng các phương pháp khác và nhất là các kim loại nặng với hàm lượng nhỏ

2.1.1 Các chất hấp phụ

Người ta thường sử dụng than, các chất tổng hợp hoặc một số chất thải của sản xuất như xỉ lò, mạt sắt và các chất hấp phụ bằng khoáng chất như đất sét, silicagel, keo nhôm…mà đặc biệt là than hoạt tính để hấp phụ các chất hòa tan

Đối với các chất ô nhiễm là kim loại nặng, hiện nay các chất hấp phụ được lựa chọn là than bùn vì đây là nguyên liệu rẻ tiền và dễ thực hiện Ngoài ra còn có thể nuôi bèo tây trên mặt hồ

2.1.2 Hấp phụ Cadmium bằng than bùn.

Than bùn là loại than mỏ rẻ nhất, là chất rắn màu hung, chứa thành phần là axit humic và axit funvic với cation kim loại tạo ra sản phẩm có độ tan thấp nên bị giữ lại trên bề mặt than

Axit humic và axit funvic là các đại phân tử có phân tử lượng lớn từ vài ngàn đến 300 đơn vị, cấu trúc không ổn định chứa đồng thời nhiều nhóm chức axit yếu – COOH, -OH, -C6H4OH… có thành phần C ≈ 50%, O≈ 40%, H≈ 5%, S≈1%.

Quá trình tạo phức của các nhóm chức trên bề mặt than bùn với ion Cadmium trong nước thải có thể biểu diễn bằng các phương trình phản ứng sau:

S-OH2+ + Cd2+ € CdSO+ + 2H+ 2S-OH + Cd2+ € Cd(SO)2 + 2H+ 2SO- + Cd2+ € Cd(SO)2 Thông thường các ion kim loại trong môi trường pH: 6-12 có thể tồn tại ở dạng phức phân tử nước trung hòa (đối với ion kim loại hóa trị 2), phức hydroxo (đối với ion kim loại hóa trị 3) Tuy vậy phản ứng tạo phức cũng có thể viết tương tự như trên nhưng dung lượng tạo phức tổng cộng (τ∑ ) là tổng dung lượng tạo phức của các ion kim loại có mặt trong dung dịch:

τ∑ =τ Cd2+ + τ Cd(OH)+ + τ Cd(OH)2 + τ Cd(OH)3- + … Hai loại phụ phẩm nông nghiệp là Xơ dừa và vỏ trấu có khả năng hấp phụ - trao đổi ion Cd2+ và Zn2+ với hiệu suất khá cao (50-60% đối với xơ dừa và 40 – 45% đối với vỏ trấu) Việc hoạt hóa xơ dừa và trấu bằng axit citric có tác dụng nâng cao hiệu suất xử lý ion Cd2+ và Zn2+, làm tăng hiệu suất của cả 2 lên khoảng 30% Hiệu suất này không thay đổi nhiều khi thay đổi nồng độ ion kim loại trong dung dịch

2.2 Phương pháp điện hóa

Người ta sử dụng các quá trình oxi hóa cực anot và khử catot, đông tụ điện… để làm sạch nước thải khỏi các chất hòa tan và phân tán Tất cả các quá trình này xảy

ra trên điện cực khi có dòng điện 1 chiều đi qua nước thải

Các phương pháp điện hóa cho phép làm sạch nước thải bằng các công nghệ đơn giản và tự động hóa không cần sử dụng các tác nhân hóa học

Tuy nhiên nhược điểm chính của phương pháp này là tiêu hao năng lượng

2.2.1 Oxy hóa của anot và khử của catot

Trên cực dương (Anot): Các ion cho điện tử nghĩa là phản ứng oxi hóa điện hóa xảy ra, còn trên cực âm (catot) xảy ra quá trình nhận điện tử, nghĩa là ở đây phản ứng khử xảy ra

Các quá trình này có thể làm sạch nước thải khỏi các tạp chất như: xyanua, sunfoxyanua, các amin, ancol, anđehit, hợp chất nito, thuốc nhuôm azo, sunfit, mecaptan… Trong quá trình oxy hóa điện hóa nước thải bị phân rã hoàn toàn tạo thành CO2, NH3 và H2O hay tạo thành các chất không độc và đơn giản hơn để có thể tách ra bằng phương pháp khác

Anot thường được làm từ các vật liệu không hòa tan khác nhau có tính chất điện phân như graphit, macnetit(Fe3O4), dioxit chì, dioxit mangan… phủ lên nền titan Catot thường được làm bằng Molipđen, hợp kim của Vonfram với sắt hay Niken

từ than chì, thép không gỉ và các kim loại khác được phủ lớp Molipđen, Vonfram hay hợp chất của chúng

2.2.2 Khử Cadmium

Người ta ứng dụng quá trình khử catot để loại các ion kim loại ra khỏi nước thải với sự tạo thành cặn, nhằm chuyển các cấu tử gây ô nhiễm thành các hợp chất ít độc hơn hoặc về dạng dễ tách ra khỏi nước như cặn, khí…Quá trình này được sử dụng

để làm sạch nước thải ra khỏi các ion kim loại nặng như: Cd2+, Pb2+, Sn2+, Hg2+,

Cu2+, As3+ Cr6+ Quá trình khử catot đối với các kim loại xảy ra như sau:

Men+ + n e →Me

Ví dụ: Cd2+ + 2e →Cd

Ở đây các kim loại lắng trên catot và có thể thu hồi chúng

Để xử lý nước thải chứa một số kim loại nặng người ta tiến hành làm sạch nước thải ra khỏi các ion kim loại: Cd2+, Pb2+,Hg2+, Cu2+ bằng quá trình khử trên catot được làm từ hỗn hợp Cacbon và Lưu huỳnh theo tỉ lệ C/S từ (80:20)÷(20:80), ở

pH<7 và mật độ dòng 2.5 A/dm2 Các ion này lắng trên điện cực ở dạng sunfua hoặc bisunfua và có thể tách chúng ra bằng phương pháp cơ học

2.3 Phương pháp hóa học:

Những chất thải ở dạng vô cơ hòa tan trong nước và độc hại được xử lý trước bằng phương pháp hóa học.Các ion kim loại nặng như: Thủy ngân, Cadmium, crom, đồng, kẽm, chì, asen được loại ra khỏi nước thải bằng phương pháp hóa học Bản chất của phương pháp này là chuyển các chất tan trong nước thành chất không tan, hay ở dạng tan có mức độ ô nhiễm giảm hoặc ít độc hoặc không độc, bằng cách thêm tác chất vào và tách chúng ra dưới dạng kết tủa bằng phương pháp lắng

Do đó việc lựa chon hóa chất sử dụng đặc biệt quan trọng sao cho chúng có tính phản ứng chọn lọc, rẻ tiền, dễ kiếm và hiệu quả cao

Ngoài ra phản ứng phải đảm bảo một số điều kiện sau:

-Phản ứng xảy ra nhanh, đối với quá trình xử lý liên tục thì thời gian lưu thủy lực ngắn

-Cân bằng hóa học có xu hướng theo chiều tạo sản phẩm

-Sản phẩm tạo thành ít độc hoặc không độc

-Dễ đo đạc và kiểm soát

Các phương pháp hóa học thường gặp trong xử lý nước thải bao gồm:

-Phương pháp trung hòa

-Phương pháp kết tủa

-Phương pháp oxi hóa khử

2.3.1 Phương pháp trung hòa:

Nước thải của nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp dệt, nhuộm, sản xuất bột giấy có độ pH cao mang tính kiềm (pH 9-11) hoặc công nghiệp da công kim loại có độ pH thấp (pH<4) Do đó phải sử dụng phương pháp trung hòa để đưa pH

về giá trị trung tính (pH 6.5-8) để đưa vào xử lý sinh học hay thải vào hệ thống

thoát nước, mặt khác điều chỉnh pH cho quá trình xử lý hóa học tiếp theo, như phản ứng Oxi hóa khử, phản ứng kết tủa…

- Nguyên tắc:

Phản ứng trung hòa xảy ra như sau: H+ + OH- →H2O

Phương pháp trung hòa có thể thực hiện bằng 2 cách:

Cách 1: Trộn hai dòng nước thải có tính axit và kiềm với nhau

Cách 2: Bổ sung tác nhân trung hòa được lựa chọn phù hợp với từng loại nước thải

- Các tác nhân trung hòa thường dùng:

+ Nước thải mang tính axit:

Tác nhân thường sử dụng: NaOH, Ca(OH)2, Na2CO3, CaCO3, Đôlômit (MgCO3.CaCO3)

+ Nước thải mang tính axit:

Tác nhân có thể sử dụng là H2SO4 và HCl nhưng các axit này có tính ăn mòn mạnh, khi pha loãng tỏa lượng nhiệt lớn nên hạn chế sử dụng thay cho axit, người ta dung các oxit như CO2, SO2, NO2

Phương pháp trung hòa có thể áp dụng để trung hòa nước thải, có nghĩa là làm thay đổi pH của nó và cũng có thể trung hòa kết tủa, chuyển chất ô nhiễm ở dạng tan thành dạng rắn qua phản ứng kết tủa

2.3.2 Phương pháp oxy hóa – khử:

Phương pháp oxy hóa – Khử cũng được sử dụng để xử lý nước thải dựa trên nguyên tắc chọn chất oxy hóa hay chất khử thích hợp để phản ứng với chất ô nhiễm

ở dạng khử hay oxy hóa tạo ra sản phẩm ít hoặc không độc

Tuy nhiên quá trình này tiêu tốn một lượng lớn các tác nhân hóa học, do vậy các phương pháp oxy hóa khử chỉ được dùng khi các chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng các phương pháp khác Ví dụ như khử độc xyanua(CN-), Crom, các hợp chất hòa tan của Asen…

Các chất oxi hóa khử thường được dùng: Ozon(O3), hydropeoxit(H2O2), Natri hippoclorơ (NaOCl), Clorua vôi(CaOCl2), hợp chất của lưu huỳnh, Fe2+

2.3.3 Phương pháp kết tủa:

Phương pháp kết tủa được áp dụng trong công nghiệp xử lý nước thải để tách các chất ô nhiễm ở dạng ion kim loại hay các anion có tính độc như Florua F-, sunfat SO42-, photphat PO43-, Xyanua CN

-2.3.3.1 Nguyên tắc:

Phản ứng kết tủa là phản ứng hóa học giữa cation kim loại với anion thích hợp

để tạo thành hợp chất ít tan Do vậy, nguyên lý của phương pháp này là dựa vào độ tan của ion kim loại phụ thuộc vào pH trong dung dịch, hay độ hòa tan của các muối đối với các anion hay cation trên Ví dụ ion kim loại nặng như: Fe2+, Cr3+,

Cd2+, Ni2+… thường kết tủa ở dạng hidroxit hay các muối khó tan như muối cacbonat, photphat, cromat…

Ở một giá trị pH nào đó, nồng độ ion kim loại vượt quá nồng độ hòa tan của nó thì sẽ bị kết tủa, do đó để kết tủa ion kim loại người ta phải điều chình độ pH của dung dịch

Bảng 3.1: Giá trị pH đối với quá trình kết tủa một số kim loại khi dùng chất trung hóa NaOH

Bắt đầu kết tủa pH 1

Kết tủa hoàn toàn pH 2

Bắt đầu hòa tan trở lại