CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.4 Tổng quan về hợp chất Cr(VI)
1.4.1 Ứng dụng của hợp chất của Crom và hợp chất Crom (VI)
Crom là một nguyên tố hóa học có số hiệu nguyên tử 24, thuộc nhóm VIB. Ở dạng đơn chất, Crom là một kim loại cứng, bóng, màu xám thép, có độ đánh bóng cao và có nhiệt độ nóng chảy cao. Nguyên tố Crom có mặt trong môi trường ở nhiều dạng hợp chất với nhiều trạng thái oxi hóa. Các dạng phổ biến nhất là crom (0), crom (III) và crom (VI). Các hợp chất của Crom có nhiều ứng dụng, từ luyện kim, sản xuất thép không gỉ, mạ, phẩm nhuộm, thuộc da, xúc tác…Các ứng dụng của các hợp chất Crom (VI) nói riêng được đề cập trong Bảng 1-1.
Bảng 1-1. Một số hợp chất Cr(VI) và ứng dụng [31]
Ứng dụng Hợp chất Cr(VI)
Phẩm màu PbCrO4, ZnCrO4, BaCrO4, CaCrO4, NaCrO4, K2Cr2O7
Lớp phủ chống ăn mòn CrO3, ZnCrO4, BaCrO4, CaCrO4, NaCrO4, SrCrO4
Dệt nhuộm (NH4)2Cr2O7, NaCrO4, K2Cr2O7
Chất bảo quản gỗ CrO3
Thuộc da (NH4)2Cr2O7
Độc tính của Crom đối với cơ thể thay đổi tùy thuộc vào trạng thái oxi hóa của nó. Các hợp chất Cr (III) và Crom đơn chất được đánh giá là không nguy hại, trong khi đó Cr(VI) lại rất độc hại cho sức khỏe và môi trường. Trong nghiên cứu này, K2Cr2O7 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu do nó được sử dụng phổ biến trong phịng thí nghiệm và trong cơng nghiệp.
26
K2Cr2O7 là chất rắn có màu đỏ cam, khơng mùi. Hợp chất này tan tốt trong nước, nhưng không tan được trong các dung môi hữu cơ như alcohol, axetone. Từ Bảng 1-1 có thể thấy, K2Cr2O7 có ứng dụng phẩm màu và dệt nhuộm trong cơng nghiệp. Trong phịng thí nghiệm, ứng dụng cụ thể nhất của K2Cr2O7 đó là chất tẩy rửa các dụng cụ thủy tinh khỏi các chất hữu cơ và là thuốc thử trong phân tích nhờ vào tính chất oxi hóa mạnh của nó. Hóa chất này cịn được sử dụng rất nhiều trong phân tích nhu cầu oxi hóa hóa học (COD) của nước, một trong các thông số quan trọng trong phân tích mơi trường [32].
1.4.2 Ảnh hưởng của Crom (VI) đến sức khỏe con người
Do tính chất oxi hóa mạnh, các hợp chất Cr(VI) rất độc hại đối với cả sức khỏe con người. Đối với con người, Cr(VI) gây nhiều tác động xấu đối với sức khỏe. Có ba con đường mà các hợp chất Cr(VI) có thể xâm nhập vào cơ thể, cụ thể, qua tiếp xúc vào da, qua đường tiêu hóa, và qua hô hấp.
Khi tiếp xúc với da, các hợp chất Cr(VI) gây ra hiện tượng kích ứng da, loét da, viêm da và nặng hơn là ung thư da [31]. Những di chứng là những sẹo lõm, tròn đều, tại các vùng tiếp xúc, còn được gọi là “lỗ Crom”.
Khi Cr(VI) xâm nhập qua hệ hô hấp sẽ gây ra các bệnh liên đường hô hấp và ung thư phổi. Một số triệu chứng nhiễm độc Cr(VI) như ho, sổ mũi, chảy máu mũi, cảm giác nóng rát đường thở. Cơ quan Quản lý An tồn và Sức khỏe Nghề nghiệp Hoa Kỳ (OSHA) đã thiết lập giới hạn phơi nhiễm trung bình theo thời gian (TWA) trong 8 giờ là 5 microgam (µg) crom-6 trên một mét khối khơng khí (5 µg/m³). Viện Quốc gia về An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp (NIOSH) khuyến nghị giới hạn phơi nhiễm TWA trong 10 giờ đối với tất cả các hợp chất Cr (VI) là 1 µg/m³.
Khi sử dụng nguồn nước hay thực phẩm nhiễm Cr(VI) có thể gây tổn thương nội tạng và ung thư do Cr(VI) có thể xuyên qua thành tế bào và gây hại ngay từ bên trong.
1.4.3 Xác định nồng độ Cr(VI) bằng phương pháp DPC
Phương pháp DPC là phương pháp sử dụng quang phổ để xác định nồng độ Cr(VI) trong môi trường nước. Ở Việt Nam, phương pháp này được đề cập trong tài liệu TCVN 6659:2000 [33].
27
Phương pháp DPC dựa vào phản ứng oxy hóa-khử giữa Cr(VI) với thuốc thử 1,5-diphenyl carbazide (DPC) tạo nên dung dịch màu đỏ tím do tạo thành phức Crom- 1,5-diphenyl carbazone (kí hiệu Cr(III)-DPCA), trong đó số oxi hóa của Cr là +3. Bước sóng cực đại λmax của dung dịch phức này ở 540 nm. Phản ứng xảy ra là:
2 CrO42- + 3 C13H14N4O + 8H+ → {Cr+3 (C13H12N4O)2}+
DPC Phức Cr(III)-DPCA
1,5-diphenyl carbazide (1) 1,5-diphenyl carbazone (2)
1.4.4 Các nghiên cứu về quang xúc tác xử lý Cr(VI)
Phát triển xúc tác quang xử lý Cr(VI) là một phương pháp mới đang được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây. Bên cạnh các phương pháp đã phổ biến như hấp phụ, sinh học, điện hóa hay kết tủa ion, phương pháp quang xúc tác có một số ưu điểm như tận dụng năng lượng mặt trời, hiệu suất khử cao. Đây là phương pháp phù hợp với nước thải có hàm lượng Cr(VI) thấp.
Một trong số những quang xúc tác đầu tiên và phổ biến nhất đó là TiO2. Chất bán dẫn này có khả năng xử lý hầu hết các loại chất ô nhiễm, từ hữu cơ đến vô cơ. Nhược điểm lớn nhất của TiO2 đó là có năng lượng vùng cấm lớn (3,2 eV), địi hỏi phải có năng lượng lớn như tia UV để kích thích [34]. Nhiều nghiên cứu đã tiến hành biến tính TiO2 để tạo thành những loại vật liệu mới có khả năng hoạt động ở vùng ánh sáng khả kiến, và có khả năng xử lý Cr(VI) hiệu quả hơn.
Carbon nitride cũng là một dòng vật liệu quang xúc tác có khả năng khử Cr(VI) rất hiệu quả. Với năng lượng vùng cấm ở khoảng 2,7 eV, Carbon nitride có thể xử lý được Cr(VI) ở vùng ánh sáng khả kiến (~460 nm). Tác giả Zhang đã tiến hành biến tính vật liệu Carbon nitride nhằm tăng cường khả năng xử lý Cr(VI) [35]. Cụ thể, mẫu tối ưu trong nghiên cứu này có khả năng xử lý gần như hoàn toàn lượng Cr (VI) trong 300 ml dung dịch K2Cr2O7 nồng độ 50 mg.L-1 chỉ trong vòng 120 phút. Là một dòng vật liệu mới không độc hại, Carbon nitride đang là vật liệu tiềm năng trong ứng dụng xử lý mơi trường.
28
Bên cạnh hướng biến tính các vật liệu quang xúc tác, sử dụng chất hỗ trợ xúc tác cũng góp phần làm tăng tốc độ phản ứng khử Cr(VI). Có một số nghiên cứu đã báo cáo rằng, một số axit hữu cơ có khả năng làm tăng tốc độ xử lý Cr(VI). Ví dụ, axit citric thúc đẩy khả năng bắt electron của Cr(VI) vì nó đóng vai trị là chất bắt các lỗ trống quang sinh [36]. Ngồi ra, axit citric khơng có ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt tính của chất xúc tác. Axit cacboxylic đóng một vai trị quan trọng trong quá trình quang xúc tác xử lý Cr (VI) bằng cách ngăn chặn sự tái tổ hợp của các cặp electron-lỗ trống. Tác giả Islam cũng đã sử dụng một axit carboxylic khác đó là axit formic làm chất trợ xúc tác [34].