2. CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC
2.3. Loại kim loại nặng
Các ion kim loại nặng như thuỷ ngân, crom, cadimi, kẽm, chì, đồng, niken, asen được loại ra khỏi nước thải bằng phương pháp hoá học. Bản chất
bằng cách thêm tác chất vào và tách chúng ra dưới dạng kết tủa.
Chất phản ứng dùng là hydroxit canxi và natri, cacbonat natri, sulfit natri, các chất thải khác nhau như xỉ sắt – crom chứa: CaO – 51,3%, MgO – 9,2%, SiO2 – 27,4%, Cr2O3 – 4,13%, Al2O3 – 7,2%, FeO – 0,73%.
2.3.1. Xử lý thủy ngân
Thủy ngân vô cơ và hữu cơ đều là các chất độc mạnh đối với sinh vật. Thủy ngân có tạo muối ở ion Hg+ và Hg2+.
Nồng độ thủy ngân trong nước ngầm, nước mặt thấp, thường nhỏ hơn 0,5 g/l. Nó có thể tồn tại ở dạng kim loại hoặc hóa trị 2. Trong môi trường nước giàu oxy thì chủ yếu ở dạng hóa trị 2, trong nước ít oxy và pH > 5 thì tồn tại ở dạng kim loại.
Thủy ngân kìm hãm khả năng tự làm sạch của các nguồn nước ngay ở nồng độ 18g/l.
Thủy ngân methyl là hợp chất rât độc do khả năng hòa tan tốt trong mỡ, thể hiện ở sự so lại của vùng mặt, thính giác kém, mất trí nhớ. Nồng độ quy định trong nước uống theo WHO và phần lớn các quốc gia là 1 g/l. (trang 26, [2]).
Nước thải bị ô nhiễm thuỷ ngân và các hợp chất thuỷ ngân được tạo thành trong sản xuất clo, NaOH, trong các quá trình điện phân dùng điện cực thuỷ ngân, do sản xuất thuỷ ngân, điều chế thuốc nhuộm, các hidrocacbon, do sử dụng thủy ngân làm chất xúc tác. Thuỷ ngân trong nước có thể tồn tại ở dạng kim loại, các hợp chất vô cơ: oxit, clorua, sunfat, sunfua, nitrat, xianua (Hg(CN)2), thioxanat (Hg(NCS)2), xianat (Hg(OCN)2).
Thuỷ ngân kim loại được lọc và lắng. Các hạt không lắng được oxy hoá bằng clo hoặc NaOCl đến HgCl2. Sau đó, xử lý nước bằng chất khử (NaHSO4 hoặc Na2SO3) để loại chúng và clo dư.
Thuỷ ngân có thể được tách ra khỏi nước bằng phương pháp khử với các chất khử là sunfat sắt, bisunfit natri, bột sắt, khí H2S, hydrazin.
Để lắng thuỷ ngân trước tiên cho vào nước thải sulfat natri, bisunfit natri hoặc khí H2S. Sau đó xử lý nước bằng clorua natri, kali, magiê, canxi hoặc sunfit magiê với lượng 0,1 g/l. Khi đó, thuỷ ngân sẽ lắng ở dạng hạt. Để loại các hạt keo phân tán cao, dùng chất keo tụ Al2(SO4)3. 18H2O, FeSO4. 7H2O…
chuyển sang dạng sunfua khí, rồi loại cặn.
Xác định thủy ngân trong nước bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử hoặc phương pháp so màu với chất chỉ thị ditizon trong cloroform ở bước sóng 492nm.
Ngoài các ra ta có thể xác định thủy ngân trong nước ngay tại hiện trường bằng thiết bị đo phổ huỳnh quang nguyên tử hơi lạnh cầm tay. Máy quang phổ huỳnh quang nguyên tử cầm tay Jerome® J505 có thể đo thủy ngân nguyên tố trong nước một cách hiệu quả bằng cách đo khoảng không phía trên nước bị ô nhiễm. Tính di động cho phép sử dụng bên ngoài phòng thí nghiệm, cung cấp kết quả khi mẫu được rút ra. Ngoài ra, cường độ tín hiệu cho thấy thiết bị phát hiện hiệu quả nồng độ ở 10 ng/m3 . Việc kiểm tra thêm vẫn phải được thực hiện để xác định giới hạn phát hiện thấp hơn của thiết bị, cũng như tối ưu hóa kiểm tra sẽ làm giảm thời gian kiểm tra và thông lượng.
2.3.2. Xử lý hợp chất Asen
Asen là chất cực độc, có khả năng tích lũy và có thể gây ung thư. Hợp chất As được sử dụng rộng rãi trong diệt trừ sâu bọ, bảo quản gỗ. As không ảnh hưởng đến thực vật nhưng lại là chất độc đối với động vật dù chỉ là hàm lượng dạng vết. dạng tồn tại của As ở pH từ 3 đến 7 là H2AsO4- , với pH từ 7 đến 11 là H2AsO42- ; trong môi trường khử nó tồn tại ở dạng HAsO2 (hoặc H3AsO3). Trong nước, As tồn tại ở dạng arsenite – As (III), arsenate – As (V) hoặc As hữu cơ; điều này tùy thuộc vào khả năng hòa tan của các loại quặng, khoáng sản, nước thải từ các hoạt động công nghiệp, thành phần các loại thuốc bảo vệ thực vật. As (III) độc hơn nhiều so với As (V), As vô cơ độc hơn nhiều As hưu cơ.
Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc khuyến cáo nồng độ As trong nước không được vượt quá 100g/L.
Theo QCVN 01:2009/BYT, nồng độ As trong nước ăn uống và sinh hoạt không được vượt quá 0,010mg/L. Theo QCVN 08:2015/BTNMT về chất lượng nước mặt, nồng độ As phục vụ chu mục đích cấp nước sinh hoạt (A1) là 0,01mg/L, mục đích cấp nước sinh hoạt nhưng phải áp dụng công nghệ xử lý phù hợp (A2) là 0,02mg/L, phục vụ cho tưới tiêu là 0,05mg/L,
Theo QCVN 09:2015/BTNMT về chất lượng nước ngầm, nồng độ As không vượt quá 0,05mg/L. Theo QCVN 10:2015/BTNMT về chất lượng nước biển, nồng độ As trong vùng nuôi trồng thủy sản, bảo tồn thủy sinh giới hạn ở 0,02mg/L, trong vùng bãi tắm, thể thao dưới nước là 0,04mg/L, ở các nơi khác là 0,05mg/L.
Có nhiều phương pháp xác định As như GF-AAS, ICP-AES, ICP-MS và phương pháp trắc quang với các loại thuốc thử khác nhau. Ngoài ra còn có một số phương pháp khác như oxy hóa và loại As bằng năng lượng Mặt Trời (SORAS); Xác định hàm lượng As trong nước ngầm bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector đo độ dẫn điện không tiếp xúc (trang 51 – 57, [16]).
● Phương pháp phân tích trắc quang với thuốc thử diethyldithiocarbamate
As (III) bị khử một cách chọn lọc bởi dung dịch sodium borohydride thành arsine, AsH3 ở pH = 6, các dạng tồn tại khác của As không bị khử trong điều kiện này. Dùng dòng nitrogen đẩy khí AsH3 sinh ra qua ống chứa lớp bông được tẩm lead acetate để vào bình hấp thu chứa dung dịch silver diethyldithiocarbamate (SDDC) và morpholine hòa tan trong chloroform hình thành nên phức có màu đỏ. Cường độ màu được đo ở bước sóng 520 nm. Để xác định tổng As vô cơ, thực hiện quá trình khử sang khí AsH3 ở pH = 1.
As3+ + 6BH4- + 3H+ → AsH3 + 3B2H6 + 3H2 As5+ + 10BH4- + 5H+ → AsH3 + 5B2H6 + 6H2
AsH3 + 6Ag(DDC) + 3Mor → AsAg3.3Ag(DDC) + 3(DDC-) + 3HMor+
AsAg3.3Ag(DDC) + 3(DDC-) + 3HMor+→ 6Ag + As(DDC)3 + 3Mor +3HDDC
● Xử lý Asen
Một số nhà khoa học Mỹ vừa phát hiện ra một lọai dương xỉ có tên là Pteris vittata có khả năng hút chất asen ra khỏi nước bị ô nhiễm. Loài thực vật này sẽ làm giảm mức độ ô nhiễm xuống mức giới hạn an toàn, do Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ đặt, chỉ trong vòng một ngày.
tiền để loại bỏ chất asen ra khỏi nguồn nước sinh hoạt. người ta sẽ trồng loại dương xỉ này trực tiếp trong nước để hút asen, tương tự như việc dùng thảm lau sậy để lạoi bỏ các chất thải hữu cơ hiện nay.
Pteris vittata là một loài thực vật hấp thụ asen được phát hiện ba năm trước đây. Loài thực vật này có khả năng chứa được tới 22g asen/kg thân cây, đồng thời có khả năng sinh trưởng rất nhanh và khỏe mạnh.
Trên những vùng đất không bị ô nhiễm, hàm lượng asen trong dương xỉ thay đổi từ 11,8 – 64 phần triệu. Tuy nhiên, những cây dương xỉ mọc trong vùng đất ô nhiễm tại miền Trung Florida lại có nồng độ cao từ 1.442 – 7.526 phần triệu. Asen tập trung phần lớn trên những chiếc lá xanh dạng dải hay lá hình lược của dương xỉ.
Dương xỉ diều hâu xuất xứ từ châu Phi, châu Á và Australia. Hiện nay chúng đã thích nghi được với các vùng đất ấm hơn ở châu Mỹ.
Ông Mark Elless thuộc Công ty Hệ thống Edenspace cùng các đồng sự đã phân tích một thử nghiệm công dụng của loại dương xỉ này bằng cách đo đạc thời gian và lượng asen mà chúng hút được. Kết quả là trong 24 giờ, loại cây này đã giảm được tới 200 microgram asen trong mỗi lít nước. Những cây này có thể được sử dụng nhiều lần.
Không giống như một số phương pháp loại bỏ asen khác, phương pháp lọc sinh học này không tạo ra các chất thải hóa học giàu asen khó xử lý. Thay vào đó, chất nhựa được ép ra từ thân cây dương xỉ này có ¾ là asen, có thể chiết xuất ra để dùng trong công nghiệp.
Ông Andrew Maharg, một chuyên gia nghiên cứu về khả năng hấp thụ chất asen của cây cối tại Đại học Aberdeen (Anh) cho rằng "đây là một công nghệ thú vị". Nhưng ông cho rằng công nghệ này sẽ có tác dụng tốt nhất nếu được sử dụng để lọc nước với quy mô nhỏ tại các nước đang phát triển.
Nguồn nước sinh hoạt và tưới tiêu được lấy từ tầng nước ngầm bị nhiễm độc asen hiện đang là một mối đe dọa sức khỏe lớn tại Bangladesh và Ấn Độ. Khi nguồn nước bị nhiễm độc này được dùng để tưới tiêu, chất độc sẽ theo nước nhiễm vào ngũ cốc, hoa màu. Theo ước tính, có khoảng ba nghìn người Bangladesh có thể chết mỗi năm do nhiếm độc asen.
Elless và các đồng nghiệp hy vọng rằng khám phá của họ sẽ có thể giúp làm sạch nguồn nước ở những nước này; đặc biệt, loài dương xỉ tỏ ra
Nhưng ông Meharg thì thận trọng hơn. Ông chỉ ra rằng loài dương xỉ này có thể sẽ khó mà lọc được một lượng nước tưới tiêu lớn, và ở Bangladesh thiếu những cơ sở hạ tầng cần thiết để bảo trì những cơ sở lọc nước như vậy.
Có nhiều phương pháp xác định As như GS–AAS, ICP–AES, ICP– MS và phương pháp trắc quang với các loại thuốc thử khác nhau. Ngoài ra còn có một số phương pháp khác như oxy hóa và loại As bằng năng lượng Mặt Trời (SORAS); Xác định hàm lượng As trong nước ngầm bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector đo độ dẫn điện không tiếp xúc (trang 51 – 57, [16]).
2.3.3. Xử lý sắt
Trong các dòng chảy, nồng độ của iron – sắt vào khoảng 0,7 mg/L; trong nước ngầm nồng độ của iron khoảng 0,1 đến 10 mg/L. Iron có mặt trong các loại quặng như hematit, magnetite, taconite và pyrite. Nó được sử dụng phổ biến trong thép và trong các loại hợp kim khác. Trong nước ngầm, dạng tồn tại chủ yếu của ion iron hòa tan là Fe2+, dễ dàng chuyển thành Fe3+
khi tiếp xúc với không khí và các tác nhân oxy hóa khác, từ đó dễ bị thủy phân tạo thành tủa không tan. Hàm lượng iron trong nước cao gây bẩn đường ống nước, hen rỉ các dụng cụ nấu ăn và gây mùi khó chịu trong thực phẩm. FAO khuyến cáo hàm lượng iron trong nước tưới không vượt quá 5 mg/L.
Theo QCVN 01:2009/BYT về chất lượng nước ăn uống, hàm lượng Fe tổng số không được vượt quá 0,3 mg/L; QCVN 02:2009/BYT về chất lượng sinh hoạt, hàm lượng Fe tổng số không được vượt quá 0,5 mg/L; theo QCVN 08:2015/BTNMT về chất lượng nước mặt, hàm lượng Fe qui định cho nước sử dụng với các mục đích khác nhau lần lượt là 0,5 mg/L (A1), 1 mg/L (A2), 1,5 mg/L (B1), 2 mg/L (B2); theo QCVN 09:2015/BTNMT về chất lượng nước ngầm, hàm lượng Fe giới hạn ở mức 5 mg/L; theo QCVN 10:2015/BTNMT về chất lượng nước biển, nồng độ Fe qui định giới hạn 0,5 mg/L.
Iron có thể được xác định bằng nhiều phương pháp, tuy nhiên, chỉ khi thực hiện bằng phương pháp trắc quang bằng việc tạo phức màu với thuốc thử và cách bảo quản mẫu thích hợp mới xác định được iron ở các dạng khác nhau. Dưới đây trình bày phương pháp xác định iron bằng phương pháp trắc quang với thuốc thử 1,10-phenantrolin.
kiện pH 3,2 đến 3,3. Ba phân tử 1,10 – phenanthrolin kết hợp với một nguyên tử iron tạo phức có màu cam đỏ.
Phức tạo thành bền trong môi trường pH từ 3 đến 9. Tổng iron được xác định thông qua việc khử Fe3+ thành Fe2+ bằng NH2OH.HCl, đun sôi trong môi trường acid.
4Fe3+ + 2NH2OH → 4Fe2+ + N2O + H2O + 4H+
Để khử sắt ứng dụng phương pháp sục khí, hoá học, hấp phụ, lọc ngược… Quá trình lọc diễn ra như sau:
4Fe2+ + O2 + H2O → 4Fe3+ + 4OH-
Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3H+
Nếu trong nước có ion bicacbonat:
4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 ↓ + 6CO2 + CaCl2
Phản ứng liên kết với permanganat kali:
3Fe(HCO3)2+KMnO4 +2H2O → 3Fe(OH)3↓+5CO2
+MnO2+KHCO3
Nếu sắt ở dạng các hợp chất hữu cơ hoặc keo thì ta ứng dụng phương pháp ozon hóa.