Quá trình thủy phân

Quá trình thủy phân là phản ứng hóa học giữa các chất hóa học với các phân tử nước, được mô tả là sự trao đổi giữa ion OH- và H+ của nước với thành phần các chất hóa học.

Đối với các ion kim loại khi đi ra môi trường nước sau khi phong hóa sẽ bị thủy phân tạo hidroxit không tan hoặc phức hidroxo như sau:

Mn+ + H2O ⇄ MOH(n−1)+ + H+

Mn+ + 2H2O ⇄ M(OH)2(n−2)+ + 2H+

……….………

27

1.5.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân và tạo kết tủa

Các ion kim loại nặng phân tán trong nước, tham gia quá trình thủy phân và tạo kết tủa. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thủy phân và tạo kết tủa của chúng gồm có các yếu tố như: nhiệt độ, độ pH, nồng độ ion trong nước và bản chất của từng loại ion.

Thật vậy, khi nhiệt độ môi trường tăng lên, cũng như khi tăng nồng độ các ion kim loại trong nước, chuyển động của các ion và mật độ các ion tăng lên, số va chạm có hiệu quả tăng lên thì quá trình thủy phân xảy ra nhanh hơn.

Độ pH có ảnh hưởng rất lớn đến sự thủy phân của các ion kim loại nặng. Thông thường, ở pH càng cao, sự thủy phân càng xảy ra mạnh mẽ do môi trường có tính bazơ, xảy ra phản ứng trung hòa với ion H+ của nước, làm quá trình phân ly của nước xảy ra nhanh hơn, đồng thời cũng làm tăng nồng độ ion OH- trong nước làm cho sự kết hợp giữa ion kim loại và ion OH- xảy ra dễ dàng hơn, quá trình thủy phân xảy ra nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Các ion khác nhau thì sự thủy phân cũng khác nhau. Mỗi kim loại đều có tích số tan của các hidroxit tương ứng khác nhau. Do đó, trong quá trình phân ly của nước tạo ion H+ và OH-, khi nồng độ ion OH- đủ lớn để tích số tan Ks = [Mn+].[OH-]n đủ lớn sẽ tạo kết tủa M(OH)n, ảnh hưởng mạnh đến sự thủy phân của mỗi kim loại.

Ngoài các yếu tố trên, trong quá trình hình thành, các kết tủa có khuynh hướng hấp thu các ion lạ mặt có trong dung dịch. Sự hấp phụ xảy ra có thể do cộng kết, sự hấp tàng hoặc sự kết tủa sau. Một số trường hợp có tạo thành dung dịch keo mà bản chất là do các phần tử hấp thụ các ion tích điện, tạo nên một lớp điện kép ngăn cản các hạt keo tự đông tụ thành kết tủa, làm giảm quá trình thủy phân của các ion kim loại.

Ta có các giá trị tích số tan của một số hidroxit kim loại nặng chính có trong quặng đồng như sau:

28

Bảng 1.1. Bảng tích số tan của một số hidroxit kim loại nặng có trong quặng đồng Chất pKs Chất pKs Cd(OH)2 14 Fe(OH)3 38 Ni(OH)2 14,7 Cr(OH)3 31 Zn(OH)2 17,2 Cu(OH)2 19,7 Pb(OH)2 15,3 Co(OH)2 15,6 Mn(OH)2 12,8

1.6. Ảnh hƣởng của kim loại nặng đến cơ thể sống và con ngƣời 1.6.1. Sắt [4, 6, 8]

Sắt là kim loại màu trắng xám, dễ rèn và dễ dát mỏng. Ở điều kiện thường nó phản ứmg rất chậm vì có màng oxit bảo vệ.

Sắt có vai trò rất lớn đối với mọi cơ thể sống, ngoại trừ một số vi khuẩn. Nó chủ yếu liên kết ổn định bên trong các protein kim loại, vì trong dạng tự do nói chung là độc với các tế bào. Sắt liên kết chặt chẽ với mọi phân tử sinh học vì thế nó sẽ gắn với các màng tế bào, axit nucleic, protein… Trong cơ thể động vật sắt liên kết trong các tổ hợp heme (là thành phần thiết yếu của cytochromes), là những protein tham gia vào các phản ứng oxi hoá khử và của các protein chuyên chở oxi như hemoglobin và myoglobin.

29

Việc hấp thụ quá nhiều sắt gây ngộ độc, vì các sắt(II) dư thừa sẽ phản ứng với các peroxit trong cơ thể để sản xuất ra các gốc tự do. Khi sắt trong giới hạn cho phép thì cơ thể có một cơ chế chống oxi hoá để có thể kiểm soát quá trình này. Một lượng gây chết người đối với trẻ 2 tuổi là 3 gam. Một gam có thể gây ra sự ngộ độc nguy hiểm. Mức cao nhất của sắt đối với người lớn là 45 mg/ngày, trẻ em dưới 14 tuổi mức cao nhất là 40 mg/ngày.

Giới hạn nồng độ sắt cho phép trong nước uống của WHO là 0,1 mg/l, giới hạn cho phép của Việt nam trong nước sinh hoạt là 1 mg/l.

1.6.2. Cadmi [2, 4, 8]

Cadmi (Cd) là kim loại có màu trắng bạc, dễ rèn, dễ dát mỏng thành lá và kéo thành sợi mảnh, Cd bền trong không khí ẩm vì được phủ một lớp vỏ oxit. Khi đốt trong không khí tạo thành CdO – oxit rất độc.

Trong nước thiên nhiên thường không có cadmi, nhưng trong nước thải công nghiệp thường có cadmi. Cadmi từ các nguồn nước thải đó thường nhiễm vào nước thiên nhiên, đặc biệt là nước bề mặt. Hoạt động thải nước có chứa cadmi là chất thải công nghiệp mỏ, công nghiệp luyện kim, quá trình lọc dầu, công nghiệp điện tử, sản xuất pin, ác quy, công nghiệp mạ… Trong nước, cadmi ở dạng ion đơn trong môi trường axit, và ở dạng ion phức (xianua, tactrat) hoặc dưới dạng không tan (hidroxit, cacbonat) trong môi trường kiềm.

Cadmi vận chuyển thông qua chuỗi thức ăn từ cá thể loài này sang cá thể loài khác. Nó có khả năng tích luỹ sinh học rất cao. Nó rất dễ bị tích luỹ và tích luỹ

30

nhanh trong động vật, đặc biệt là các vi sinh vật, động vật nhuyễn thể, động vật không xương sống và có thời gian bán huỷ sinh học dài khoảng 10 - 30 năm.

Do kích thước và điện tích giống nhau nên khi bị nhiễm Cd2+, nó có khả năng thay thế Zn2+ trong các enzym, làm mất khả năng hoạt động của enzym. Khi Cd2+ xâm nhập vào cơ thể con người chúng được chuyển hoá qua thận rồi đào thải ra ngoài. Tuy nhiên, vẫn còn khoảng 1% liên kết với protein trong thận tạo thành metallotionein giữ lại trong thận, và cứ như vậy ngày càng được tích tụ dần trong thận theo tuổi, đến một lúc nào đó lượng Cd2+ này đủ lớn có thể thay thế Zn2+ trong các enzym và gây ra rối loạn trao đổi chất.

Nhiễm độc cadmi gây nên chứng bệnh giòn xương, rối loạn chức năng của thận, thiếu máu, tăng huyết áp, phá huỷ tuỷ xương và gây ung thư (ung thư tinh hoàn, ung thư tiền liệt tuyến, ung thư phổi). Hít phải cadimi làm hỏng các tế bào phế nang, gây phù phổi và các bệnh về phổi.

1.6.3. Chì [2, 4, 8]

Chì là kim loại mềm, màu xám thẫm, chịu được ăn mòn. Chì mềm dễ dát mỏng, dễ kéo dài, dẫn điện và nhiệt kém.

Hàm lượng chì trong nước thiên nhiên rất nhỏ, cỡ 0,001 – 0,02 mg/l. Trong nước thải của các nhà máy hoá chất và các khu luyện kim chứa lượng chì đáng kể, có thể chứa 6 – 7 mg/l. Chì trong nước thải có thể ở dạng tan (ion đơn hoặc ion phức) hoặc dưới dạng khó tan như sulfat, sulfua, cacbonat.

Hàm lượng chì trong vỏ trái đất là 10 – 20 mg/kg. Trong không khí. chì đưa vào khí quyển khoảng 330 tấn/năm. Các nguồn thải chính của chì ra môi trường là: khai thác quặng, tinh luyện chì, sản xuất pin và acquy, sử dụng xăng pha chì. thuốc trừ sâu… Đa số chì lắng đọng tại nơi phát thải, song những bụi nhỏ (< 22 μm) có khả năng phân tán rất xa. Chì trong không khí có thể di chuyển xa hơn và gây tích

31

tụ trong cơ thể sinh vật. Chì vào cơ thể con người chủ yếu qua đường hô hấp và thức ăn. Khả năng hấp thụ chì ở trẻ em cao hơn người trưởng thành.

Sự hấp thụ chì vào cơ thể phân bố không đồng đều. Trước tiên nó đi vào máu và đến các mô, sau đó là xương và tích tụ trong xương, khi đó nó đóng vai trò là nguồn nội chì. Thời gian bán huỷ của chì trong máu và mô mềm từ 28 – 36 ngày. Thời gian lưu trong xương dài hơn nhiều và tích luỹ lại trong đó có thể đến cả đời. Sự vận chuyển chì vào bào thai xảy ra dễ dàng, thông qua suốt thời kỳ thai nghén.

Chì và các hợp chất của chì đều độc. Chúng rất nguy hiểm ở chỗ khó có những phương tiện để cứu chữa khi bị nhiễm độc lâu dài cho nên cần hết sức cẩn thận khi tiếp xúc với chúng.

Khi cơ thể bị nhiễm độc chì sẽ gây ức chế một số enzim quan trọng của quá trình tổng hợp máu gây cản trở quá trình tạo hồng cầu. Chẳng hạn chì gây ức chế một trong các sản phẩm trung gian trong quá trình tạo hồng cầu, đó là sản phẩm delta-amini levulinic axit. nó là thành phần quan trọng để tổng hợp porphobilinogen. Khi hàm lượng chì trong máu đạt khoảng 0,3 ppm thì nó ngăn cản quá trình sử dụng oxi để oxi hoá glucozơ, tạo năng lượng cho quá trình sống, do đó làm cho cơ thể mệt mỏi. Ở nồng độ cao hơn (> 0.8 ppm) có thể gây nên bệnh thiếu máu do thiếu sắc tố hồng cầu. Hàm lượng chì trong máu nằm trong khoảng 0,5 – 0,8 ppm gây ra sự phá huỷ chức năng của thận và phá huỷ tế bào não. Điều ít được biết đến là chì làm tăng huyết áp ở phụ nữ mang thai. Chì ở liều lượng thấp cũng có thể ngăn cản sự phát triển sinh lý và trí tuệ của trẻ sơ sinh và trẻ em. Liều độc của axetat chì là 1mg và của cacbonat chì là 2 – 4 g đối với người lớn. Việc điều trị nhiễm độc chì rất phức tạp, tỷ lệ khỏi bệnh rất thấp.

1.6.4. Coban [12]

Coban là kim loại màu trắng xám, cứng và giòn hơn sắt và niken, có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao. Ở điều kiện thường nó hoạt động hoá học kém do có màng oxit bảo vệ.

32

Trong nước sinh hoạt và nước tự nhiên thường không có coban, hay nếu có thì cũng ở dạng vết. Coban chỉ có trong nước ở một số hồ, sông mà nguồn nước của nó chảy qua những núi, mỏ có coban. Coban trong nước chủ yếu do một số ngành công nghiệp thải ra như công nghiệp mạ, luyện kim, hoá chất.

Coban có vai trò sinh học rất lớn và là nguyên tố vi lượng trong thực vật. Nhiều sinh vật sống (kể cả con người) phải cần đến một lượng nhỏ coban trong cơ thể để tồn tại. Cho vào đất một lượng nhỏ coban từ 0,13 – 0,3 mg/kg sẽ làm tăng sức khoẻ của động vật ăn cỏ. Coban là một thành phần trung tâm của vitamin cobalamin, hoặc vitamin B-12.

Các hợp chất của coban có độc tính nhẹ.

1.6.5. Crom [2, 4, 8]

Crom là kim loại màu trắng bạc có ánh kim, độ cứng cao và nhiệt độ nóng chảy cao, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Crom bền vững với không khí, hơi ẩm và khí cacbonic do được bảo vệ bởi màng oxit mỏng và bền ở trên bề mặt.

Nguồn thải chính vào trong nước tự nhiên chính là nước thải công nghiệp. Những nghành công nghiêp thải ra nhiều crom như: tạo màu, nhuộm, tananh hoá, điện cực nhôm và các quá trình mạ kim loại và mạ điện khác; trong các nghành công nghiệp hoá chất. Trong nước, crom tồn tại ở crom (III) và crom(VI) (CrO42- và Cr2O72-)

Crom kim loại và các hợp chất crom(III) thông thường không được coi là nguy hiểm cho sức khoẻ, nhưng các hợp chất crom(VI) lại độc hại nếu nuốt, hít phải. Liều tử vong của các hợp chất crom(VI) độc hại là khoảng nửa thìa trà. Phần lớn các hợp chất crom(VI) gây kích thích mắt, da và màng nhầy. Phơi nhiễm lâu ngày trước các hợp chất crom(VI) có thể gây tổn thương mắt vĩnh viễn, nếu không được xử lý đúng cách. Nó còn là tác nhân gây ưng thư ở người. Crom khi vào cơ thể

33

người nó được tích luỹ trong gan thận gây tổn thương gan thận và làm tổn thương các cơ quan khác.

1.6.6. Đồng [2, 4, 6, 8]

Trong tự nhiên, đồng là nguyên tố tương đối phổ biến và chủ yếu tồn tại ở dạng tự do. Đồng có một lượng bé trong thực vật và động vật. Trong cơ thể con người, đồng có trong thành phần của một số protein, enzim và tập trung chủ yếu ở gan. Hợp chất của đồng là cần thiết đối với quá trình tổng hợp hemoglobin và photpholipit.

Hàm lượng đồng trong các loại nước thiên nhiên và trong các nguồn nước sinh hoạt dao động trong khoảng 0,001 đến 1mg/l. Các nguồn nước ở gần xí nghiệp tuyển quặng có thể lên đến 1000 mg/l. Trong nước, đồng thường tồn tại ở dạng cation hoá trị II hoặc dưới dạng các ion phức với xianua, tactrat… Nguồn thải chính của đồng trong nước thải công nghiệp là nước thải quá trình mạ và nước thải quá trình rửa, ngâm trong bể có chứa đồng.

Đồng là nguyên tố có độc tính cao đối với hầu hết các thực vật thuỷ sinh, ở nồng độ thấp ≤ 0,1 mg/l nó đã gây ức chế không cho các thực vật này phát triển. Với khuẩn lam khi hàm lượng đồng là 0,01 mg/l đã làm chúng chết. Với thực vật, khi hàm lượng đồng là 0,1 mg/l đã gây độc. Đối với cá nước ngọt thì đồng cũng gần như là kim loại có độc tính nhất chỉ sau thuỷ ngân. với hàm lượng 0,002 mg/l cũng đã làm cho cá chết. Đối với con người, khi hàm lượng đồng trong cơ thể là 10 g/kg thể trọng gây tử vong, liều lượng 60-100 mg/kg gây buồn nôn. Tiếp xúc thường xuyên với đồng dẫn đến xơ gan, tổn thương não, mắc các bệnh về thận…

Giới hạn cho phép của đồng trong nước sinh hoạt là 2 mg/l.

1.6.7. Kẽm [4, 6, 8]

Kẽm là kim loại màu trắng bạc, nhưng ở trong không khí ẩm, chúng dần dần bị bao phủ bởi màng oxit nên mất ánh kim. Kẽm mềm và dễ nóng chảy.

34

Các khoáng vật của kẽm trong tự nhiên là sphalerit (ZnS), calamin (ZnCO3). Kẽm thường có trong những quặng đa kim cùng với chì và đồng. Kẽm còn có lượng đáng kể trong thực vật và động vật. Cơ thể con người chứa kẽm đến 0,001%. Kẽm có trong enzim cacbanhidrazơ là chất xúc tác quá trình phân huỷ của hidrocacbonat ở trong máu, và do đó đảm bảo tốc độ cần thiết của quá trình hô hấp và trao đổi khí. Kẽm có trong insulin là hocmon có vai trò điều chỉnh độ đường ở trong máu.

Trong nước tự nhiên hàm lượng kẽm thường rất nhỏ nằm trong khoảng từ 0,0001 – 5,77 mg/l. Lượng kẽm trong nước tự nhiên chủ yếu do các nguồn nước thải đưa vào, đặc biệt nước thải của các nhà máy luyện kim, công nghiệp hoá chất, các nhà máy sợi tồng hợp. Trong nước, kẽm tồn tại ở dạng ion đơn hay các ion phức xianua, cacbonat, sulfua…

Kẽm là nguyên tố vi lượng cần thiết cho mọi hình thái của sự sống. Kẽm tham gia vào thành phần của 300 enzym khác nhau, được xem như chất xúc tác không thể thiếu của ARN-polimerase trong qúa trình nhân bản ADN và tổng hợp chất đạm.

Kẽm và hợp chất của chúng khá ít độc tính, chúng ít ảnh hưởng đến các động vật thân nhiệt ổn định mà chỉ ảnh hưởng đến động vật biến nhiệt. Ăn vào cơ thể hơn 150 mg Zn mỗi ngày có thể gây rối loạn chuyển hoá đồng và sắt. Một liều rất cao (450 mg/ngày) làm thiếu đồng và gây thiếu máu nguyên bào sắt. Liều quá cao có thể gây suy giảm chức năng miễn dịch. Quá liều có thể gây buồn nôn, nôn, phát ban, sự khử nước và loét dạ dày. Nếu đưa vào cơ thể lượng lớn kẽm 2 - 4 gam có thể gây chết người sau 10 - 48 giây. Kẽm làm giảm hấp thu tetracycline. Nên tránh điều trị kẽm trong thai kỳ và cho con bú.

1.6.8. Mangan [4, 6, 8]

Mangan là kim loại màu trắng bạc, khó nóng chảy và khó sôi. Mangan tinh khiết dễ cán và dễ rèn nhưng khi chứa tạp chất thì trở nên cứng và giòn. Mangan là kim loại quan trọng trong các hợp kim công nghiệp, đặc biệt là thép không gỉ.

35

Trong thiên nhiên mangan là nguyên tố tương đối phổ biến chiếm 0,1 % khối lượng vỏ trái đất. Đất chứa 7 – 9000 ppm mangan với hàm lượng trung bình 440 ppm. Nước biển chứa 10 ppm mang.an và trong khí quyển chứa 0,1μg/m3. Khoáng