1.3. Ô nhiễm kim loại nặng và các biện pháp xử lý
1.3.8. Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước
Kim loại nặng cố định trong đất ở điều kiện môi trường nhất định
chúng có thể chuyển hóa vào dung dịch đất và bị rửa trôi vào nguồn nước. Các phương pháp thường được sử dụng như: kết tủa hóa học, trao đổi ion, hấp phụ, màng lọc, keo tụ, tuyển nổi và điện hóa.
1.3.8.1. Kết tủa hóa học
Kết tủa hóa học là phương pháp có hiệu quả và đến nay được sử dụng
rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp do phương pháp này tương đối đơn
giản và không tốn kém. Trong quá trình kết tủa, hóa chất phản ứng với các
ion KLN để tạo thành kết tủa không tan. Các kết tủa tạo thành có thể được
tách ra khỏi nước bằng lắng hoặc lọc. Và nước đã xử lý sau đó được tách ra và phù hợp thải hoặc tái sử dụng. Các q trình kết tủa hóa học thơng thường bao gồm kết tủa hydroxit và sulfua [83].
Kết tủa hydroxit:
Lý do sử dụng rộng rãi kỹ thuật kết tủa hóa học là sự kết tủa hydroxit
do đơn giản tương đối của nó, chi phí thấp và dễ kiểm sốt pH [98]. Tính tan
của các hydroxit kim loại khác nhau được giảm thiểu trong khoảng pH của 8,0 - 11,0. Các hydroxit kim loại có thể được loại bỏ bằng keo tụ và lắng đọng. Một loạt các hydroxit đã được sử dụng để kết tủa kim loại từ nước thải,
dựa trên chi phí thấp và dễ dàng xử lý, vơi là sự lựa chọn thích hợp được sử dụng trong kết tủa hydroxit ở các khu công nghiệp [44].
Kết tủa sulfit:
Kết tủa sulfit cũng là một quy trình hiệu quả trong việc xử lý các ion kim loại nặng độc hại. Một trong những lợi thế chính của việc sử dụng các sulfua là tính tan của kết tủa kim loại sulfua là thấp hơn đáng kể so với kết tủa hydroxit và kết tủa sulfua không phải dạng lưỡng tính. Do đó, q trình kết
tủa sunfit có thể đạt được một mức độ cao loại bỏ kim loại trên một phạm vi pH rộng so với kết tủa hydroxit.
Sử dụng pyrit và sulfit sắt tổng hợp để loại bỏ Cu2+, Cd2+ và Pb2+. Cơ
chế chủ yếu của các quá trình loại bỏ kim loại được xác định là kết tủa hóa học ở pH thấp (<3) do sinh ra H2S, phương trình (1) và (2) và hấp phụ ở pH
cao (trong khoảng 3 - 6):
FeS( )+ 2H( ) → H S( )+ Fe( ) (1)
M( )+ H S( ) → MS( ) ↓ +2H( ) (2)
Gần đây, quá trình kết tủa sulfit mới đã được phát triển dựa trên vi
khuẩn khử sulfat. Vi khuẩn khử sulfat oxy hóa các hợp chất hữu cơ đơn giản
trong điều kiện yếm khí và vi khuẩn khử sulfat chuyển đổi sunfat thành
hydrogen sulfit:
3SO + 2CH CH(OH)COOH ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ậ 3H S + 6HCO (3)
Trong đó, CH3CH(OH)COOH đại diện cho hợp chất hữu cơ đơn giản.
Hydrogen sulfua phản ứng với các kim loại hịa tan hóa trị hai để tạo thành
các sunfua kim loại khơng hịa tan.
Tuy nhiên, có những mối nguy hiểm tiềm năng trong việc sử dụng quá trình kết tủa sunfit. Như chúng ta biết, các ion KLN và kết tủa sulfide trong
điều kiện axit có thể dẫn đến phát sinh khí H2S độc hại. Hơn nữa, kết tủa kim
loại sulfit có xu hướng hình thành kết tủa keo gây ra một số vấn đề tách nước trong lắng hoặc quá trình lọc [83].
1.3.8.2. Trao đổi ion
Quá trình trao đổi ion đã được sử dụng rộng rãi để loại bỏ KLN trong
nước thải do nhiều lợi thế, chẳng hạn như hiệu suất và hiệu quả xử lý cao và động học xử lý nhanh [107]. Keo nhựa trao đổi ion (keo nhựa tự nhiên hoặc
nước thải. Trong số các vật liệu được sử dụng trong quá trình trao đổi ion,
nhựa tổng hợp thường được sử dụng vì chúng có hiệu quả đến gần loại bỏ các KLN từ các dung dịch [38].
Ngoài nhựa tổng hợp, zeolit tự nhiên, khoáng chất silicat tự nhiên, đã được sử dụng rộng rãi để loại bỏ KLN từ dung dịch nước do chi phí thấp và
sự phong phú của chúng. Nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng zeolit thể hiện khả năng trao đổi cation tốt cho các ion KLN trong điều kiện thí nghiệm khác nhau [13, 83]. Clinoptilolite là một trong những zeolit tự nhiên thường
xuyên nhất nghiên cứu đã nhận được sự chú ý rộng rãi do tính chọn lọc của
nó đối với KLN.
1.3.8.3. Hấp phụ
Hấp phụ được công nhận là một phương pháp hiệu quả và kinh tế cho
xử lý nước thải KLN. Quá trình hấp phụ có tính linh hoạt trong thiết kế và hoạt động và trong nhiều trường hợp sẽ tạo ra được hiệu quả xử lý cao. Ngoài ra, do sự hấp phụ có tính thuận nghịch, các chất hấp phụ có thể được tái sinh bởi q trình giải hấp thích hợp.
Than hoạt tính:
Than hoạt tính (AC) là chất hấp phụ được sử dụng rộng rãi trong việc loại bỏ các chất gây ơ nhiễm KLN. Tính hữu dụng của nó xuất phát từ các đặc tính có nhiều vi lỗ và diện tích bề mặt cao. Một số lượng lớn các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu việc sử dụng AC để loại bỏ KLN [104, 108]. Ngày nay, nguồn AC dựa vào than đá thương mại ngày càng gia tăng về giá cả. Để cải thiện và nâng cao khả năng hấp phụ KLN của AC mà khơng cần tốn thêm chi phí mà vẫn đảm bảo khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm, các chất phụ gia và AC tổng hợp có thể là một lựa chọn. Các chất phụ gia như anginit [146], axit tanin [173], chất hoạt động bề mặt [36] và AC hỗn hợp có thể là chất hấp phụ hiệu quả cho KLN.
Ống nano các bon:
Các ống nano các bon được phát minh vào năm 1991, đã được nghiên
cứu rộng rãi bởi các thuộc tính và các ứng dụng của nó. Là chất hấp phụ tương đối mới, ống nano các bon đã được chứng minh có tiềm năng lớn để
loại bỏ các ion KLN như chì [177], catmi [112], đồng [123], … từ nước thải.
Kết quả của những nghiên cứu cho thấy ống nano các bon là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho khả năng hấp phụ KLN.
1.3.8.4. Chất hấp phụ sinh học
Hấp phụ sinh học KLN trong nước là một phương pháp tương đối mới và hứa hẹn trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm KLN trong nước. Các lợi thế chính của hấp phụ sinh học là hiệu quả cao trong việc làm giảm các ion KLN và các chất hấp phụ rẻ tiền. Hấp phụ sinh học đặc biệt thích hợp để xử lý nước thải KLN có nồng độ thấp. Chất hấp phụ sinh học điển hình có thể sử dụng từ ba nguồn như sau [42]: (1) Nguồn sinh khối vô sinh như vỏ cây, linhin, vỏ tôm, vỏ nhuyễn thể, mực, vỏ cua, vv .; (2) sinh khối tảo; (3) sinh khối vi khuẩn, ví dụ vi khuẩn, nấm và nấm men. Các vật liệu không tốn kém từ thực vật như vỏ khoai tây [39], mùn cưa [106], vỏ cà phê [145], vv… đã
được nghiên cứu rộng rãi như như một chất hấp phụ tiềm năng.
Đặc trưng của các chất hấp phụ sinh học là nguồn cung dồi dào, chi phí
thấp và hấp phụ nhanh chóng. Điểm khơng thuận lợi là, các nghiên cứu này vẫn còn trong giai đoạn lý thuyết và thực nghiệm. Hơn nữa, việc tách các chất hấp phụ khó khăn sau khi hấp phụ [83].
1.3.8.5. Màng lọc
Công nghệ lọc màng với các loại khác nhau của màng cho thấy hứa hẹn lớn để loại bỏ KLN cho hiệu quả cao, dễ vận hành và tiết kiệm không gian. Các quy trình màng sử dụng để loại bỏ các kim loại trong nước thải là siêu lọc, thẩm thấu ngược, lọc nano và điện phân [83].
1.3.8.6. Đông tụ và keo tụ
Q trình đơng tụ và keo tụ theo sau là lắng và lọc cũng được sử dụng
để loại bỏ KLN từ nước thải. Đông tụ là sự làm mất ổn định của chất keo
bằng cách trung hòa các lực giữ chúng. Nhiều chất keo tụ được sử dụng rộng rãi trong các q trình xử lý nước thải thơng thường như nhôm, sulfat sắt và clorua sắt, kết quả trong việc loại bỏ hiệu quả của các cấp hạt trong nước thải và các tạp chất bằng cách trung hòa điện tích của các hạt và gắn kết các tạp chất và hình thành các kết tủa hydroxit kim loại vơ định hình.
1.3.8.7. Tuyển nổi
Tuyển nổi hiện nay đã được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải.
Tuyển nổi đã được sử dụng để tách KLN từ một pha lỏng bằng cách sử dụng
đính kèm bọt nước, có nguồn gốc trong chế biến khoáng sản. Tuyển nổi
khơng khí hịa tan, tuyển nổi ion và kết tủa nổi là q trình tuyển nổi chính cho việc loại bỏ các ion kim loại ra khỏi dung dịch.
Tuyển nổi có một số lợi thế hơn các phương pháp thơng thường chẳng hạn như tính chọn lọc kim loại cao, hiệu quả loại bỏ cao, thời gian lưu ngắn, chi phí vận hành thấp và bùn sinh ra có sự tập trung hơn [157]. Nhưng những bất lợi liên quan như chi phí đầu tư ban đầu, chi phí bảo dưỡng và chi phí hoạt
động cao.
1.3.8.8. Điện hóa
Phương pháp điện hóa liên quan đến sự tạo thành lớp bám của các ion
kim loại trên bề mặt catốt (cực âm) và có thể phục hồi các kim loại ở trạng
thái kim loại nguyên tố. Công nghệ xử lý nước thải bằng điện liên quan đến vốn đầu tư tương đối lớn và tốn nhiều điện năng, vì vậy nó khơng được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, với các quy định nghiêm ngặt về môi trường liên quan đến việc xả nước thải, công nghệ điện đã lấy lại tầm quan trọng của nó