Nghiên cứu khả năng hấp phụ sinh học ion kim loại nặng Cr6+ trong nước bằng chitosan có nguồn gốc từ chất thải thủy sản
MỤC LỤC
Kim loại nặng trong môi trường nước
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. 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.
CƠ SỐNG VÀ CON NGƯỜI
- Crom
- Chì
- Thủy ngân
- Cadmi
- Asen
- Niken
Và quá trình biến đổi đầu tiên trong quá trình tích luỹ sinh học là chuyển từ dạng thủy ngân vô cơ sang thủy ngân CH3-Hg+ (metyl thủy ngân), quá trình biến đổi này có thể không cần enzim hoặc các tác động vi khuẩn khác… Metyl thủy ngân được tích luỹ vào các dây chuyền thực phẩm rồi có thể theo con đường tiêu hóa đi vào cơ thể con người. Tóm lại các kim loại tồn tại và luân chuyển trong môi trường nước thường có nguồn gốc hầu hết từ các nghành công nghiệp trực tiếp hoặc gián tiếp có sử dụng các kim loại ấy trong quá trình công nghệ hoặc từ chất thải sinh hoạt của con người.
![Bảng I.2: Ảnh hưởng của một số kim loại nặng lên cơ thể của một số loài vật [12]](https://media.store123doc.com/figures/004/321/bang-anh-huong-loai-nang-the-loai-vat-4321683.webp)
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
Phương pháp màng
Qua thử nghiệm tại Công ty Dụng cụ cơ khí xuất khẩu, nước thải được xử lý qua công nghệ hóa học và sinh học của Trung tâm KHTN & CNQG, hàm luợng các kim loại nặng giảm 81,4% đến 98,7% tùy theo từng kim loại, trong đó có một số kim loại có thể khử triệt để được. Bên cạnh đó còn một số các công trình nghiên cứu khác nghiên cứu khả năng xử lý kim loại nặng của một số các nhà nghiên cứu bằng phương pháp sinh học: như sử dụng hấp thụ sinh học bằng bèo hoa dâu, tảo, bằng lau sậy.
PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA
Trong nước thải chứa kim loại thường tồn tại dưới dạng ion ở nhiều dạng khác nhau có những hợp chất hoặc chất dễ kết tủa nhưng có những chất khó kết tủa hoặc cực độc hại như các hợp chất của Cr6+ ta phải tiến hành xử lý biến đổi các chất đó về dạng ít độc hơn và dễ kết tủa hơn. Như đã nói ở trên, để xử lý kim loại nặng trong nước bằng phương pháp kết tủa có hiệu quả thì ta cần phải chuyển các kim loại khó có khả năng kết tủa với tác nhân làm kết tủa và có tính cực độc về dạng dễ kết tủa hơn và ít độc hơn.
PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
Phương pháp hấp thu sinh học
Phương pháp hấp thu sinh học là phương pháp sử dụng các loài sinh vật trong tự nhiên hoặc các loại vật chất có nguồn gốc sinh học có khả năng giữ lại trên bề mặt hoặc thu nhận bên trong các tế bào của chúng các kim loại nặng khi đưa chúng vào môi trường nước thải có chứa kim loại nặng. Vì tảo được cấu tạo từ polysaccarit, cellulose, acid uronic và các protein do vậy rất dễ tạo liên kết với các kim loại nặng, chúng đóng vai trò như các tâm hấp phụ, kết nối các kim loại nặng vào mạch của chúng đặc biệt là polysaccarit và protein.
Phương pháp chuyển hóa sinh học
Phương pháp chuyển hóa sinh học gián tiếp để xử lý kim loại nặng Phương pháp chuyển hóa sinh học gián tiếp để xử lý kim loại nặng là sử dụng các vi sinh vật (enzym) để chuyển hóa các chất hóa học thành một dạng có thể kết hợp được với các kim loại nặng để tạo kết tủa. Ban đầu sẽ dùng các chủng vi khuẩn để chuyển hóa các chất ở dạng độc ví dụ như Cr6+ về dạng ít độc hơn Cr3+, sau đó dùng chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa tổng hợp photphat hay sunfit (có thể là chính chủng ban đầu).
Phương pháp sử dụng lau sậy
Hơn nữa phương pháp này còn rất thân thiện với môi trường có thể tạo ra một môi trường xanh xung quanh các nhà máy, nhờ đó làm môi trường không những của nhà máy mà còn cả các vùng lân cận xung quanh nhà máy trong sạch hơn. Với tình hình hiện nay đối với các nhà máy có mặt bằng rộng, khi xử lý nước thải nói chung và nước thải chứa kim loại nặng nói riêng thường phải sử dụng những phương pháp hóa lý vừa đắt tiền lại vừa phải xử lý các chất thải thứ cấp sinh ra sau quá trình xử lý, do vậy phương pháp lau sậy là một phương pháp thay thế khá hiệu quả và thích hợp.
PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION
Phương pháp hấp phụ
Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều loại vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng như: than hoạt tính, than bùn, các loại vật liệu vô cơ như oxit sắt, oxit mangan, tro bay, xỉ than, bằng các vật liệu polyme hóa học hay polyme sinh học. Sau khi thực hiện hấp phụ để xử lý các chất độc trong nước nói chung và kim loại nặng nói riêng thì người ta thường tiến hành nhả hấp phụ để hoàn nguyên, tái sinh (đối với các loại vật liệu hấp phụ có giá trị, và nhất thiết phải có kích thước đủ lớn để có thể hoàn nguyên được) chất hấp phụ và trong nhiều trường hợp có thể thu hồi những cấu tử quý.
Phương pháp trao đổi ion
Sau đó các cation sẽ được nạp điện tích bằng các muối ăn (NaCl) và lúc này các ion Na+ sẽ vào chiếm chỗ, đẩy các ion H+ vào dung dịch. + Các anionit thì được tái sinh bằng dung dịch kiềm, và sau đó cũng được nạp điện tích bằng muối ăn NaCl, lúc đó các ion Cl- sẽ thay thế các ion OH- đẩy các ion OH- vào dung dịch. Giới thiệu một số chất trao đổi ion :. Các chất trao đổi ion rất phong phú và đa dạng, tùy vào yêu cầu xử lý và điều kiện sử dụng mà người ta có thể lựa chọn các loại chất trao đổi khác nhau. Nói chung, người ta phân ra 2 loại chất trao đổi ion là:. 1) Các ionit có nguồn gốc vô cơ. + Tự nhiên: Các loại zeolit (thường là người ta sử dụng zeolit A và X) có công thức dưới dạng Na2O. nSiO2.mH2O, các kim loại khoáng, đất sét, fenspat, các chất mica khác nhau .. + Tổng hợp: Silicagen, pecmutit, các oxit khó tanvà hiđroxit của một số kim loại như crôm, nhôm, ziriconi.. 2) Các ionit có nguồn gốc hữu cơ.
PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HểA
Cơ chế chung của quá trình điện hóa
Nếu thế phóng điện của cation lớn hơn của H+ thì cation sẽ thu electron của catot chuyển thành các ion ít độc hơn hoặc tạo thành kim loại bám vào điện cực. Catot thường được làm bằng molipden, hợp kim của vonfram với sắt hay niken, từ than chì (graphit), thép không rỉ, và các kim loại khác được phủ lớp molipden, vonfram hay hợp chất của chúng.
Sử dụng trực tiếp phương pháp điện hóa để xử lý kim loại nặng (Tích luỹ điện cực )
Do ngoài việc xử lý kim loại nặng trong nước thải thì phương pháp này còn có thể xử lý các chất ô nhiễm khác trong nước thải. Do vậy ngoài quá trình phá hủy xyanua do sự oxi hóa ở anot còn xảy ra quá trình oxy hóa bằng clo được tạo thành ở anot.
Phương pháp thẩm tách điện hóa (Điện thẩm tách) 1. Giới thiệu phương pháp
Nhằm khắc phục tình trạng ô nhiễm này đòi hỏi cấp bách phải có những biện pháp xử lý nước thải kim loại nặng hiệu quả và phải phù hợp với điều kiện hoàn cảnh của các nhà máy ở Việt Nam như: diện tích xử lý nhỏ, hiệu quả xử lý tốt, và đặc biệt là phải rẻ tiền. Do đó để có thể thực hiện được những tiêu chí trên, việc nghiên cứu, thăm dò khả năng xử lý nước thải chứa kim loại nặng bằng vật liệu có nguồn gốc từ phế thải của ngành chế biến thủy sản có tên gọi là chitosan được tiến hành.
GIỚI THIỆU VỀ CHẤT CHITOSAN
Khái niệm về chitosan
Do vậy việc sản xuất ra chitin ở Việt Nam là rất có triển vọng, vì nó vừa có thể làm giảm giá thành sản xuất lại vừa có thể giải quyết được một lượng chất thải rắn của ngành thủy sản. Khác với chitin không có khả năng, thì chitosan có khả năng hòa tan trong dung dịch có tính axit yếu thường là pH nhỏ hơn hoặc bằng 6,5.
Công thức hóa học của chitin và chitosan
Quá trình chế biến để có được chitin và chitosan từ các loài động vật giáp xác có thể viết như hình (H.3). Như trên ta thấy cấu trúc phân tử của chitosan hoàn toàn giống với chiin, chỉ khác ở chỗ là nhóm amid được thay thế bởi nhóm amin.
Các ứng dụng của chitin và chitosan trong cuộc sống
Đặc biệt là khả năng ứng dụng của nó để chữa trị các vết bỏng, nó có thể tạo ra một lớp màng sinh học ngay trên vết bỏng và xoa dịu vết thương, sát trùng và ngoài ra nó còn làm khô vết thương và có thể được mất đi bởi các enzym trong cơ thể. + Trong công nghệ môi trường: Trong những năm gần đây với những đặc tính của mình, chitosan đang ngày càng được nghiên cứu rộng rãi để ứng dụng vào xử lý môi trường như làm các chất đông keo tụ, chất hấp phụ và dính bám các hợp chất hữu cơ.
CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Phương pháp hấp phụ 1. Hiện tượng hấp phụ
Nói chung là trong thực tế thì quá trình hấp phụ không xảy ra thuần tuý theo một phương thức nào mà nó có những đặc trưng của cả hai phương pháp hấp phụ trên. Phương trình dựa trên cơ sở giả thiết rằng trên bề mặt hấp phụ, các phân tử bị hấp phụ trên đó không tương tác với nhau, mà phân tử chất bị hấp phụ chỉ chiếm một phần bề mặt chất hấp phụ, sự hấp phụ chỉ trên một đơn lớp ở bề mặt hấp phụ, coi năng lượng bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, có mức năng lượng là như nhau.
Cơ chế hấp phụ kim loại nặng của chitosan
Phản ứng giữa chitosan với kim loại dạng M2+ xảy ra ở môi trường trung tính, axit yếu,bởi ở môi trường trung tính, axit yếu thì khả năng nhóm H+ của nhóm OH của chitosan dễ dàng được thay thế hơn là ở môi trường axit mạnh và khả năng tham gia của nhóm NH2 cũng cao hơn. Trong quá trình hấp phụ thuần tuý thì quá trình tạo phức giữa các nhóm chức của chitosan với các kim loại nặng là chủ yếu, ngoài ra còn các liên kết vật lý giữa các kim loại nặng với tâm hấp phụ là các lực liên kết tĩnh điện giữa các ion trái dấu và lực liên kết lưỡng cực vanderwaal.