- Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất kì con đƣờng nào Cr cũng đƣợc hịa tan
vào trong máu ở nồng độ 0,001mg/l, sau đó chúng chuyển vào hồng cầu và hòa tan nhanh trong hồng cầu, từ hồng cầu Cr chuyển vào các tổ chức phủ tạng, đƣợc giữ lại ở phổi, xƣơng, thận, gan, phần còn lại chuyển qua nƣớc tiểu. Từ các cơ quan phủ tạng Cr hòa tan dần vào máu, rồi đào thải qua nƣớc tiểu từ vài tháng đến vài năm.
- Nhiễm độc Cr có thể bị ung thƣ phổi, ung thƣ gan, loét da, viêm da tiếp xúc, xuất hiện mụn cơm, viêm gan, thủng vách ngăn giữa hai lá mía, ung thƣ phổi, viêm thận, đau răng, tiêu hóa kém, gây độc cho hệ thần kinh và tim, …
Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ơ nhiễm crom và chì
1.1.3.2. Ảnh hưởng của Pb
Nguyên nhân làm cho Pb xâm nhập vào cơ thể con ngƣời là do Pb ngấm vào thực phẩm qua bát, đĩa, sứ tráng men có pha Pb dƣới dạng hịa tan dùng để đựng thức ăn hoặc làm các dụng cụ nhà bếp. Một lƣợng Pb có thể ngấm vào thức ăn nếu dụng cụ đựng thức ăn làm bằng thiếc có pha Pb hoặc có lớp thiếc mỏng chống gỉ tráng ở ngồi có lẫn Pb hay trong nguồn nƣớc có chứa hàm lƣợng Pb cao hoặc ăn phải những thực phẩm từ động thực vật có nhiễm Pb qua dây chuyền thực phẩm.
Chì có tính độc cao đối với con ngƣời và động vật. Sự thâm nhiễm Pb vào cơ thể con ngƣời từ rất sớm từ tuần thứ 20 của thai kì và tiếp diễn suốt kì mang thai. Trẻ em có mức hấp thụ Pb cao gấp 3-4 lần ngƣời lớn. Trẻ em từ 6 tuổi trở xuống và phụ nữ có thai là những đối tƣợng mẫn cảm với những ảnh hƣởng nguy hại của Pb.
- Chì cũng cản trở chuyển hóa canxi bằng cách trực tiếp hay gián tiếp thơng
qua kìm hãm sự chuyển hóa vitamin D. Chì gây độc cả cơ quan thần kinh trung ƣơng lẫn thần kinh ngoại biên.
- Chì tác động lên hệ enzym, đặc biệt là enzym vận chuyển hiđro. Khi bị nhiễm độc, ngƣời bệnh bị một số rối loạn cơ thể, trong đó chủ yếu là rối loạn bộ phận tạo huyết (tủy xƣơng). Tùy theo mức độ nhiễm độc có thể gây ra những tai biến nhƣ đau bụng Pb, đƣờng viền đen Burton ở lợi, đau khớp, viêm thận, cao huyết áp vĩnh viễn, liệt, tai biến não nếu nặng có thể gây tử vong. Tác dụng hóa sinh của Pb chủ yếu gây ảnh hƣởng đến tổng hợp máu, phá vỡ hồng cầu. Chì ức chế một số enzym quan trọng trong quá trình tổng hợp máu do tích đọng các hợp chất trung gian của quá trình trao đổi chất. Chì kìm hãm quá trình sử dụng O2 và glucozo để sản xuất năng lƣợng cho quá trình sống. Sự kìm hãm này có thể nhận thấy khi nồng độ Pb trong máu khoảng 0,3mg/l. Khi nồng độ Pb trong máu lớn hơn 0,8mg/l có thể gây ra hiện tƣợng thiếu máu do thiếu hemoglobin. Nếu hàm lƣợng Pb trong máu khoảng 0,5-0,8mg/l sẽ gây rối loạn chức năng của thận và phá hủy não. JECFA đã thiết lập giá tri tạm thời cho lƣợng Pb đƣa vào cơ thể có thể chịu đựng đƣợc đối với trẻ sơ sinh và thiếu nhi là 25mg/kg thể trọng [14].
Hình 4: Sơ đồ chu chuyển trong mơi trường và thâm nhập của Pb vào cơ thể người [12]
- Hơn 90% lƣợng Pb trong máu tồn tại trong hồng cầu. Dạng lớn nhất và tốc
độ chậm là trong khung xƣơng, chu kì bán hủy là 20năm, dạng không bền hơn nằm trong mơ mềm. Tổng số tích lũy suốt đời của Pb có thể từ 200mg – 500mg. Chì trong hệ thần kinh trung ƣơng có xu hƣớng tích lũy trong đại não và nhân tế bào. [14]
- Triệu chứng ngộ độc Pb gồm: đau bụng trên, táo bón, nơn mửa. Ở trên lợi
Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ơ nhiễm crom và chì
- Chứng viêm não tuy rất hiếm nhƣng lại là biến chứng nghiêm trọng ở ngƣời
trong trƣờng hợp nhiễm độc Pb, trƣờng hợp cũng thƣờng hay gặp ở trẻ em.
- Bệnh thiếu máu: thiếu máu xảy ra trong trƣờng hợp nhiễm độc Pb vô cơ và
thƣờng xảy ra trong giai đoạn cuối, nhƣng ngay khi nhiễm độc Pb, ngƣời ta đã phát hiện rối loạn tổ hợp máu. Sự kìm hãm tổ hợp máu là yếu tố gây ra bệnh thiếu máu do Pb nhƣng Pb cũng tạo ra những tác động trực tiếp đến hồng cầu.
- Mức độ nguy hiểm tùy thuộc vào độ tuổi và tình trạng của cơ thể và nguy
hiểm chính là độc hại tới hệ thần kinh. Hầu hết nhạy cảm với Pb là trẻ em, đặc biệt là trẻ em mới tập đi, trẻ sơ sinh và bào thai. Trẻ sơ sinh, trẻ em dƣới 16 tuổi và phụ nữ có thai là đối tƣợng nhạy cảm nhất với độc tố Pb, tác động mãn tính đến sự phát triển trí tuệ của trẻ em. Với những phụ nữ có thai thƣờng xuyên tiếp xúc với Pb khả năng xảy thai hoặc thai nhi chết sau khi sinh là rất lớn. Với trẻ em, hệ thần kinh đang phát triển rất nhạy cảm khi bị nhiễm Pb dù ở nồng độ thấp, hệ số thông minh (IQ) giảm xuống. Đối với ngƣời trƣởng thành, công việc thƣờng xuyên tiếp xúc với Pb quá mức hoặc do gặp sự cố có thể bị nhiễm bệnh thần kinh ngoại vi hoặc thần kinh mạn tính. Tuy nhiên ở ngƣời lớn các ảnh hƣởng cấp tính hay hầu hết các ảnh hƣởng nhạy cảm của Pb có thể là bệnh tăng huyết áp. Ngồi ra khi nhiễm độc Pb cịn có thể ảnh hƣởng dến một số cơ quan khác trong cơ thể nhƣ dạ dày, ruột non, cơ quan sinh sản.
1.2. Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc thải ô nhiễm kim loại nặng.
Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải đƣợc chia thành các loại sau: - Phƣơng pháp xử lý lý học;
- Phƣơng pháp xử lý hóa học và hóa lý; - Phƣơng pháp xử lý sinh học.
1.2.1. Phương pháp xử lý lý học
Trong nƣớc thải thƣờng chứa các chất không tan ở dạng lơ lửng. Để tách các chất này ra khỏi nƣớc thải. Thƣờng sử dụng các phƣơng pháp cơ học nhƣ lọc qua song chắn rác hoặc lƣới chắn rác, lắng dƣới tác dụng của trọng lực hoặc lực li tâm và lọc.Tùy theo
kích thƣớc, tính chất lý hóa, nồng độ chất lơ lửng, lƣu lƣợng nƣớc thải và mức độ cần làm sạch mà lựa chọn cơng nghệ xử lý thích hợp.
1.2.2. Phương pháp xử lý hóa học và hóa lý
a. Trung hịa
Nƣớc thải chứa axit vơ cơ hoặc kiềm cần đƣợc trung hòa đƣa pH về khoảng 6,5 – 8,5 trƣớc khi thải vào nguồn nhận hoặc sử dụng cho công nghệ xử lý tiếp theo. Trung hịa nƣớc thải có thể thực hiện bằng nhiều cách:
- Trộn lẫn nƣớc thải axit và nƣớc thải kiềm;
- Bổ sung các tác nhân hóa học;
- Lọc nƣớc axit qua vật liệu có tác dụng trung hịa;
- Hấp thụ khí axit bằng nƣớc kiềm hoặc hấp thụ ammoniac bằng nƣớc axit.
b. Keo tụ – tạo bông
Trong nguồn nƣớc, một phần các hạt thƣờng tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thƣớc các hạt thƣờng dao động từ 0,1 – 10µm. Các hạt này khơng nổi cũng không lắng, và do đó tƣơng đối khó tách loại. Vì kích thƣớc hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể tích của chúng rất lớn nên hiện tƣợng hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng. Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nƣớc có khuynh hƣớng keo tụ do lực hút Vander Waals giữa các hạt. Lực này có thể dẫn đến sự kết dính giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm. Sự va chạm xảy ra nhờ chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn. Tuy nhiên trong trƣờng hợp phân tán cao, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang tích điện, có thể là điện tích âm hoặc điện tích dƣơng nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hóa các nhóm hoạt hóa. Trạng thái lơ lửng của các hạt keo đƣợc bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh điện. Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hịa điện tích bề mặt của chúng, q trình này đƣợc gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hịa điện tích có thể liên kết với các hạt keo khác tạo thành bơng cặn có kích thƣớc lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này đƣợc gọi là q trình tạo bơng.
Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ơ nhiễm crom và chì
c. Khử
Đây là q trình thực hiện phản ứng oxi hố khử để làm sạch nƣớc thải khỏi các hợp chất của Hg, Cr, As. Đối với Hg và các hợp chất hữu cơ chứa Hg, các chất khử
thƣờng dung là: FeS, NaHS, bột Fe, bột Al, H2S.
d. Trao đổi ion.
Là quá trình tƣơng tác của dung dịch với pha rắn có tính chất trao đổi ion với ion trong dung dịch. Ứng dụng: Tách kim loại nặng, hợp chất As…ra khỏi nƣớc thải. Các loại vật liệu rắn có tính trao đổi ion rất đa dạng. Tuỳ thuộc vào yêu cầu xử lý khác nhau, ngƣời ta chọn những chất trao đổi ion khác nhau.
1.2.3. Phương pháp sinh học.
a. Sự hấp thụ sinh học đối với kim loại nặng.
Việc sử dụng các vật liệu tự nhiên có nguồn gốc sinh học (biosorbents) để loại bỏ hoặc thu hồi các kim loại nặng dựa trên những thuộc tính của vật liệu này gọi là sự hấp thụ sinh học. Các kim loại đƣợc hấp phụ vào các polymer sinh học nhƣ: protein, polysacarit, axitnucleic, mà cụ thể là với các nhóm chức nhƣ carboxyl, photphat, sulphat,…chính các nhóm gắn kết này đã tạo cho tế bào giống nhƣ là các anion nên dễ dàng liên kết với các cation kim loại.
b. Sự hấp phụ sinh học nhờ sinh khối các vi sinh vật nuôi cấy thuần khiết.
Sự hấp phụ sinh học đối với kim loại nhờ sinh khối các vi sinh vật nuôi cây thuần khiết đã đƣợc biết đến trong thời gian gần đây. Đó là việc sử dụng sinh khối vi tảo, vi nấm, vi khuẩn làm chất hấp phụ chọn lọc các kim loại hoà tan rất quan trọng trong việc hấp phụ kim loại. Hoạt động trao đổi chất của tế bào có tác động lớn đến chức năng hấp phụ kim loại.
Trong các nguyên liệu trên thì tảo là một loại có khả năng đƣợc sử dụng làm chất hấp phụ tốt.tuy nhiên nó thƣờng đƣợc sử dụng khi nồng độ kim loại nặng trong nƣớc
không cao. Đặc biệt sinh khối tảo (tảo đơn bào nƣớc ngọt, tảo biển) có thể đƣợc tái sinh và sử dụng lại nên rất có ý nghĩa kinh tế.
c. Sự hấp phụ sinh học bằng nuôi cấy hỗn hợp.
Với phƣơng pháp này ngƣời ta sử dụng bùn hoạt tính có ni cấy sẵn hỗn hợp các vi sinh vật có khả nƣng hấp phụ kim loại nặng. Bùn hoạt tính có khả năng loại bỏ hoặc tích tụ kim loại nặng từ nƣớc thải, thuận tiện để xử lý nƣớc thải có chứa Cd, Cu, Cr… Cơ chế hấp phụ kim loại nặng của bùn hoạt tính là cơ chế hấp phụ sinh học “bị động”. Bùn hoạt tính có khả năng tích tụ kim loại nặng, tuy nhiên có thể xảy ra sự tác động qua lại giữa bùn hoạt tính và kim loại và hệ thống này rất khó để tái sản xuất và tái sử dụng.
1.3. Khái quát về nano
1.3.1. Công nghệ nano
Công nghệ nano (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển
hình dáng, kích thƣớc trên quy mơ nanơmét (nm, 1 nm = 10-9
m). Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tƣợng là vật liệu nano.
1.3.2. Vật liệu nano
1.3.2.1. Khái niệm
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thƣớc nano mét. Về trạng thái của vật liệu, ngƣời ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí.Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, ngƣời ta phân ra thành các loại sau:
Vật liệu nano khơng chiều: cả ba chiều đều có kích thƣớc nano, khơng cịn
chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ, đám nano, hạt nano...
Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thƣớc nano,
Nghiên cứu ứng dụng sắt nano xử lý nước ơ nhiễm crom và chì
Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thƣớc nano,
hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,...
Ngồi ra cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ
có một phần của vật liệu có kích thƣớc nm, hoặc cấu trúc của nó có nano khơng chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
1.3.2.2. Tính chất của vật liệu nano
Một đặc điểm vô cùng quan trọng của vật liệu nano là kích thƣớc chỉ ở cấp độ nano mét (nm). Chính vì vậy mà tổng số nguyên tử phân bố trên bề mặt vật liệu nano và tổng diện tích bề mặt của bề mặt của vật liệu lớn hơn rất nhiều so với vật liệu thông thƣờng. Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính dị thƣờng, đặc biệt là khả năng xúc tác hấp phụ. Với kích thƣớc nhỏ ở cấp độ phân tử, vật liệu nano xuất hiện ba hiệu ứng chính : hiệu ứng lƣợng tử, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thƣớc.
a. Hiệu ứng lượng tử [16]
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lƣợng tử đƣợc trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét giá trị trung bình của chúng. Nhƣng đối với vật liệu có cấu trúc nano, do kích thƣớc của vật liệu nhỏ, hệ có rất nhiều ngun tử thì các tính chất lƣợng tử thể hiện rõ ràng hơn và khơng thể bỏ qua. Ví dụ một chấm lƣợng tử có thể đƣợc coi nhƣ một đại nguyên tử, nó có các mức năng lƣợng giống nhƣ một nguyên tử.
b. Hiệu ứng bề mặt [16]
Khi vật liệu có kích thƣớc nm, tỷ số các ngun tử nằm trên bề mặt trên tổng số các nguyên tử của vật liệu sẽ chiếm tỉ lệ lớn hơn nhiều so với các vật liệu dạng khối. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt nhƣ: khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt…..của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều. Điều đó mở ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ và nhiều hiệu ứng khác mà các nhà khoa học đang quan tâm, nghiên cứu.
c. Hiệu ứng kích thước [16]
Các vật liệu truyền thống thƣờng đƣợc đặc trƣng bởi một số các đại lƣợng vật lý, hóa học khơng đổi nhƣ độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi, tính axit….Tuy nhiên, các đại lƣợng vật lý và hóa học này chỉ bất biến nếu kích thƣớc của vật liệu đủ lớn (thƣờng là lớn hơn 100nm). Khi giảm kích thƣớc của vật liệu xuống cấp độ nano mét (nhỏ hơn 100nm) thì các đại lƣợng lý, hóa ở trên khơng cịn là bất biến nữa, ngƣợc lại chúng sẽ thay đổi. Hiện tƣợng này gọi là hiệu ứng kích thƣớc. Kích thƣớc mà ở đó vật liệu bắt đầu có sự thay đổi các tính chất đƣợc gọi là kích thƣớc tới hạn. Ví dụ nhƣ: Điện trở của một kim loại ở kích thƣớc vĩ mơ mà ta thấy hằng ngày sẽ tuân theo định luật Ohm. Nếu ta giảm kích thƣớc của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thƣờng là vài nm đến vài trăm nm) thì định luật Ohm sẽ khơng cịn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thƣớc nano sẽ tn theo quy tắc