Các tham số trong mơ hình động học hấp phụ Thomas của thí nghiệm hấp phụ cột đối với 3 vật liệu hấp phụ SBC2-R-15S; SBC2-400 và SBC2-400-10S đối với 5 nguyên tố Mn, Zn., Cd, Pb, As gồm hằng số KT và q0 được tính tốn và trình bày trong Bảng 3.12. Theo mơ hình Thomas, dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu SBC2-400-10S trong thí nghiệm HT2 và HT3 khi xử lý Mn, Zn, Cd, Pb lần lượt là 15,65; 12,93; 0,27; 159,69; 3,66 mg/g và 4,13; 1,79; 0,02; 0,41; 0,30 mg/g, và hầu hết đều cao hơn so với dung lượng hấp phụ cực đại tương tứng với SBC2-R-
15S và SBC2-400 (Bảng 3.14). Giá trị cao của hệ số tương quan R2 cho thấy các dữ
Bảng 3.14. Các tham số trong phƣơng trình động học hấp phụ Thomas KLN Vật liệu Hệ thống 2 Hệ thống 3 KT (ml/phút/mg) q0 (mg/g) R 2 KT (ml/phút/mg) q0 (mg/g) R 2 Mn SBC2-R-15S 0,007 11,83 0,96 0,021 0,26 0,86 SBC2-400 0,006 11,83 0,92 0,022 2,29 0,96 SBC2-400-10S 0,008 15,65 0,94 0,018 4,13 0,89 Zn SBC2-R-15S 0,009 9,95 0,83 0,022 0,90 0,42 SBC2-400 0,007 9,61 0,93 0,040 1,78 0,97 SBC2-400-10S 0,009 12,93 0,89 0,039 1,79 0,96 Cd SBC2-R-15S 0,168 0,10 0,61 0,022 4,27 0,00 SBC2-400 0,141 0,09 0,83 0,203 0,33 0,22 SBC2-400-10S 0,094 0,27 0,76 0,705 0,02 0,74 Pb SBC2-R-15S 0,001 253,45 0,13 0,173 0,12 0,84 SBC2-400 0,001 127,56 0,86 0,104 0,24 0,75 SBC2-400-10S 0,001 159,69 0,44 0,108 0,41 0,90 As SBC2-R-15S 0,019 3,20 0,35 0,419 0,03 0,46 SBC2-400 0,025 2,31 0,72 0,098 0,38 0,84 SBC2-400-10S 0,019 3,66 0,52 0,091 0,30 0,77
Ngoài ra, sự có mặt của các nhóm chức hoạt động, thành phần khống vật có chứa các khống vật có khả năng hấp phụ tốt và các đặc trưng như điện tích bề mặt, diện tích bề mặt là một trong những yếu tố quan trọng quyết định khả năng hấp phụ của vật liệu SBC2-400-10S. Giá trị pHPZC của vật liệu SBC2-400-10S cao hơn giá trị pH thực nghiệm thí nghiệm cột nên có ái lực cao với các anion. Những ngày đầu thí nghiệm, hàm lượng các kim loại trong dung dịch đầu ra giảm mạnh do giá trị pH
đầu ra cao và khả năng tự kết tủa các cation kim loại như Pb2+
, Zn2+ và Mn2+. Từ
ngày thứ 3 của thí nghiệm, dung dịch nước thải có mơi trường pH dao động ~ 7,
dạng phổ biến của Cd, Pb, Zn và As(V), As (III) chiếm lần lượt là Cd2+ (>90%),
Pb2+ (60%-70%), Zn2+ (>90%) HAsO42- (50-70%), H2AsO4- (< 50%) và H3AsO3
(>90%), nên các ion Pb2+ tạo kết tủa trong dung dịch và bị lọc mạnh hơn so với các
cation kim loại khác do hằng số thủy phân của Pb (pK1=7,7) thấp hơn so với hằng số thủy phân của Cd, (pK1= 10), Mn (pK1 = 10,7) nên sự trao đổi ion diễn ra mạnh hơn.
3.3. Đánh giá khả năng lắng tự nhiên và xử lý kim loại nặng của thực vật
3.3.1. Khả năng lắng tự nhiên của kim loại nặng trong nước
Mẫu nước đối sánh (WR2) với nước thải pha chế tương tự nước thải trực tiếp khu chế biến khoáng sản Lũng Váng (khu mỏ chì, kẽm Chợ Đồn), kết quả 3 đợt thí nghiệm cho thấy hàm lượng KLN trong nước giảm theo thời gian (Hình 3.49). Trong đó, hàm lượng kim loại As và Cd trong dung dịch giảm không đáng kể, hàm lượng kim loại Mn giảm nhiều nhất (Hình 3.49). Hàm lượng trung bình các kim loại Mn, Zn, Cd, Pb và As trước khi tiến hành thí nghiệm tương ứng là 20; 6; 0,5; 20; và 1 mg/l. giảm xuống tương ứng là 7,5; 4,62; 17, 15; 0,23 và 0,92 mg/l sau 10 ngày khi kết thúc thí nghiệm.
Mẫu nước đối sánh (WR3) với nước thải pha chế tương tự nước thải tại bể lắng số 3 tại khu chế biến chì, kẽm Lũng Váng khu mỏ chì, kẽm Chợ Đồn, kết quả sau 3 đợt thí nghiệm cho thấy hàm lượng KLN trong nước giảm dần theo thời gian (Hình 3.50). Trong đó hàm lượng kim loại Mn giảm nhiều nhất, sau đó đến Zn và Pb, hàm lượng As và Cd trong dung dịch hầu như khơng thay đổi (Hình 3.50). Hàm lượng trung bình các kim loại Mn, Zn, Cd, Pb và As ban đầu tương ứng là 4,08; 1,50; 0,11; 0,6 và 0,40 mg/l sau 10 ngày khi kết thúc thí nghiệm hàm lượng các kim loại giảm xuống tương ứng là 0,09; 0,49; 0,53; 0,06 và 0,37 mg/l.
Hình 3.49. Hàm lƣợng kim loại trong nƣớc đối sánh WR2
Hình 3.50. Hàm lƣợng kim loại trong nƣớc đối sánh WR3
3.3.2. Khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải của thực vật
3.3.2.1. Thực vật Sậy
Mangan (Mn): Hàm lượng Mn trong thí nghiệm với cây Sậy sử dụng nước
mg/l xuống còn 5,89 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm hệ thống 1 (Hình 3.51). Hàm lượng Mn ban đầu trong thí nghiệm sử dụng nước thải pha chế tại hệ thống 2 và hệ thống 3 tương ứng là 20 mg/l và 4 mg/l, giảm xuống còn 7,44 mg/l và 0,04 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.51). Hiệu suất xử lý Mn hệ thống 1 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 29,3%, 42,5%, 48,1%, và 67,8% (Hình 3.52). Hiệu suất xử lý Mn hệ thống 2 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 30,3%, 39,4%, 48,2%, và 62,9% (Hình 3.52). Hiệu suất xử lý Mn hệ thống 3 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 92,9%, 98,2%, 98,6%, và 98,9% (Hình 3.52).
Hình 3.51. Diễn biến hàm lƣợng Mn trong nƣớc trồng cây Sậy
Hình 3.52. Hiệu suất xử lý kim loại Mn của thực vật Sậy của thực vật Sậy
Kẽm (Zn):Hàm lượng Zn trong thí nghiệm với cây Sậy sử dụng nước thải
trực tiếp khu chế biến chì, kẽm Lũng Váng giảm từ 5,4 mg/l xuống còn 2,18 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm hệ thống 1 (Hình 3.53). Hàm lượng Zn ban đầu trong thí nghiệm sử dụng nước thải pha chế tại hệ thống 2 và hệ thống 3 tương ứng là 6 mg/l và 1,5 mg/l, giảm xuống còn 2,42 mg/l và 0,04 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.53). Hiệu suất xử lý Zn hệ thống 1 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 19%;27,1%; 42,3% và 58,8% (Hình 3.79). Hiệu suất xử lý Zn hệ thống 2 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 24,2%, 31,5%, 41,8%, và 60,1% (Hình 3.54). Hiệu suất xử lý Zn hệ thống 3 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 69,9%, 78,1%, 80,5%, và 94,8% (Hình 3.54).
Hình 3.53. Diễn biến hàm lƣợng Zn trong nƣớc trồng cây Sậy
Hình 3.54. Hiệu suất xử lý kim loại Zn của thực vật Sậy của thực vật Sậy
Cadimi (Cd):Hàm lượng Cd trong thí nghiệm với cây Sậy sử dụng nước thải
trực tiếp khu chế biến chì, kẽm Lũng Váng giảm từ 0,46 mg/l xuống cịn khoảng 0,21 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm hệ thống 1 (Hình 3.55). Hàm lượng Cd ban đầu trong thí nghiệm sử dụng nước thải pha chế tại hệ thống 2 và hệ thống 3 tương ứng là 0,5 mg/l và 0,1 mg/l, giảm xuống còn 0,22 mg/l và 0,03 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.55). Hiệu suất xử lý Cd hệ thống 1 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 19,6%; 40,2%; 45,8% và 59,1% (Hình 3.56). Hiệu suất xử lý Cd hệ thống 2 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 18,6%; 42,5%; 47,9%, và 57,2% (Hình 3.56). Hiệu suất xử lý Cd hệ thống 3 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 33,3%; 62,9%; 62,8%, và 73,6% (Hình 3.56).
Hình 3.55. Diễn biến hàm lƣợng Cd
trong nƣớc trồng cây Sậy Hình 3.56. Hiệu suất xử lý kim loại Cd của thực vật Sậy
Chì (Pb): Hàm lượng Pb trong thí nghiệm với cây Sậy sử dụng nước thải trực tiếp khu chế biến chì, kẽm Lũng Váng giảm từ 12,2 mg/l xuống còn khoảng 4,33 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm hệ thống 1 (Hình 3.57). Hàm lượng Pb ban đầu
trong thí nghiệm sử dụng nước thải pha chế tại hệ thống 2 và hệ thống 3 tương ứng là 20 mg/l và 0,6 mg/l, giảm xuống còn 9,37 mg/l và 0,05 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.57). Hiệu suất xử lý Pb hệ thống 1 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 31,5%, 40,1%, 50,6%, và 62,4% (Hình 3.58). Hiệu suất xử lý Pb hệ thống 2 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 19,7%, 29,6%, 37,2%, và 53,3% (Hình 3.58). Hiệu suất xử lý Pb hệ thống 3 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 48,9%, 73,2%, 79,7%, và 91,5% (Hình 3.58).
Hình 3.57. Diễn biến hàm lƣợng Pb
trong nƣớc trồng cây Sậy Hình 3.58. Hiệu suất xử lý kim loại Pb của thực vật Sậy
Asen (As):Hàm lượng As trong thí nghiệm với cây Sậy sử dụng nước thải
trực tiếp khu chế biến chì, kẽm Lũng Váng giảm từ 0,87 mg/l xuống còn khoảng 0,32 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm hệ thống 1 (Hình 3.59). Hàm lượng As ban đầu trong thí nghiệm sử dụng nước thải pha chế tại hệ thống 2 và hệ thống 3 tương ứng là 1 mg/l và 0,4 mg/l, giảm xuống còn 0,39 mg/l và 0,13 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.59). Hiệu suất xử lý As hệ thống 1 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 9,1%, 24,4%, 34,1%, và 61,5% (Hình 3.60). Hiệu suất xử lý As hệ thống 2 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 16,9%, 26,3%, 40,5%, và 63,5% (Hình 3.60).Hiệu suất xử lý As hệ thống 3 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 18%, 24,2%, 35,4%, và 66,4% (Hình 3.60).
Hình 3.59. Diễn biến hàm lƣợng As trong nƣớc trồng cây Sậy
Hình 3.60. Hiệu suất xử lý kim loại As của thực vật Sậy của thực vật Sậy
3.3.2.2. Thực vật Mộc tặc trãi
Mangan (Mn): Hàm lượng Mn trong thí nghiệm với cây Mộc tặc trãi sử dụng
nước thải trực tiếp khu chế biến chì kẽm Lũng Váng giảm từ 18,3 mg/l xuống còn khoảng 1,47 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.61). Hàm lượng Mn ban đầu trong thí nghiệm sử dụng nước thải pha chế tại hệ thống 2 và hệ thống 3 tương ứng là 20 mg/l và 4 mg/l, giảm xuống còn 1,88 mg/l và 0,05 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.61). Hiệu suất xử lý Mn hệ thống 1 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 39,0%, 61,4%, 74,0%, và 92,0% (Hình 3.62). Hiệu suất xử lý Mn hệ thống 2 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 40,6%, 63,0%, 72,0%, và 90,6% (Hình 3.62). Hiệu suất xử lý Mn hệ thống 3 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 81,5%, 89,9%, 96,7%, và 98,9% (Hình 3.62).
Hình 3.61. Diễn biến hàm lƣợng Mn
trong nƣớc trồng cây Mộc tặc trãi Hình 3.62. Hiệu suất xử lý kim loại Mn của thực vật Mộc tặc trãi
Kẽm (Zn): Hàm lượng Zn trong thí nghiệm với cây Mộc tặc trãi sử dụng nước thải trực tiếp khu chế biến chì kẽm Lũng Váng giảm từ 5,4 mg/l xuống còn
khoảng 2,06 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.63). Hàm lượng Zn ban đầu trong thí nghiệm sử dụng nước thải pha chế tại hệ thống 2 và hệ thống 3 tương ứng là 6 mg/l và 1,5 mg/l, giảm xuống còn 0,93 mg/l và 0,1 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.63). Hiệu suất xử lý Zn hệ thống 1 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 20,9%, 36,1%, 44,6%, và 62,1% (Hình 3.64). Hiệu suất xử lý Zn hệ thống 2 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 32,8%, 51,0%, 60,7%, và 84,5% (Hình 3.64). Hiệu suất xử lý Zn hệ thống 3 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 57,6%, 85,7%, 88,1%, và 93,3% (Hình 3.64).
Hình 3.63. Diễn biến hàm lƣợng Zn
trong nƣớc trồng cây Mộc tặc trãi Hình 3.64. Hiệu suất xử lý kim loại Zn của thực vật Mộc tặc trãi
Cadimi (Cd): Hàm lượng Cd trong thí nghiệm với cây Mộc tặc trãi sử dụng
nước thải trực tiếp khu chế biến chì kẽm Lũng Váng giảm từ 0,46 mg/l xuống còn khoảng 0,17 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.65). Hàm lượng Cd ban đầu trong thí nghiệm sử dụng nước thải pha chế tại hệ thống 2 và hệ thống 3 tương ứng là 0,5 mg/l và 0,1 mg/l, giảm xuống còn 0,15 mg/l và 0,02 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.65). Hiệu suất xử lý Cd hệ thống 1 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 26,1%, 38,6%, 40,0%, và 60,7% (Hình 3.66). Hiệu suất xử lý Cd hệ thống 2 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 33,3%, 54,0%, 60,9%, và 70,8% (Hình 3.66). Hiệu suất xử lý Cd hệ thống 3 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 34,8%, 65,2%, 64,1%, và 76,8% (Hình 3.66).
Hình 3.65. Diễn biến hàm lƣợng Cd trong nƣớc trồng cây Mộc tặc trãi
Hình 3.66. Hiệu suất xử lý kim loại Cd của thực vật Mộc tặc trãi của thực vật Mộc tặc trãi
Chì (Pb): Hàm lượng Pb trong thí nghiệm với cây Mộc tặc trãi sử dụng nước
thải trực tiếp khu chế biến chì kẽm Lũng Váng giảm từ 20 mg/l xuống còn khoảng 2,1 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.67). Hàm lượng Pb ban đầu trong thí nghiệm sử dụng nước thải pha chế tại hệ thống 2 và hệ thống 3 tương ứng là 20 mg/l và 0,6 mg/l, giảm xuống còn 3,49 mg/l và 0,09 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.67). Hiệu suất xử lý Pb hệ thống 1 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 22,4%, 43,8%, 51,6%, và 82,4% (Hình 3.68). Hiệu suất xử lý Pb hệ thống 2 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 25,7%, 54,2%, 60,4%, và 82,5% (Hình 3.68). Hiệu suất xử lý Pb hệ thống 3 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 31,4%, 60,7%, 61,9%, và 84,3% (Hình 3.68).
Hình 3.67. Diễn biến hàm lƣợng Pb
trong nƣớc trồng cây Mộc tặc trãi Hình 3.68. Hiệu suất xử lý kim loại Pb của thực vật Mộc tặc trãi
Asen (As): Hàm lượng As trong thí nghiệm với cây Mộc tặc trãi sử dụng nước thải trực tiếp khu chế biến chì kẽm Lũng Váng giảm từ 0,87 mg/l xuống cịn
khoảng 0,32 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.69). Hàm lượng As ban đầu trong thí nghiệm sử dụng nước thải pha chế tại hệ thống 2 và hệ thống 3 tương ứng là 1 mg/l và 0,4 mg/l giảm xuống còn 0,39 mg/l và 0,21 mg/l sau 10 ngày thí nghiệm (Hình 3.69). Hiệu suất xử lý As hệ thống 1 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 13,4%, 31,5%, 39,2%, và 63,7% (Hình 3.70). Hiệu suất xử lý As hệ thống 2 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 19,0%, 30,4%, 39,7%, và 62,0% (Hình 3.70). Hiệu suất xử lý As hệ thống 3 sau 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày và 10 ngày thí nghiệm tương ứng là 19,3%, 25,3%, 28,9%, và 46,8% (Hình 3.70).
Hình 3.69. Diễn biến hàm lƣợng As
trong nƣớc trồng cây Mộc tặc trãi Hình 3.70. Hiệu suất xử lý kim loại As của thực vật Mộc tặc trãi
3.3.3. Khả năng tích lũy kim loại nặng trong thực vật
3.3.3.1. Thực vật Sậy
Hàm lượng các KLN trong rễ, thân và lá được thể hiện trong các hình 3.71. Hàm lượng KLN trong rễ đều cao hơn hàm lượng trong thân và lá, chứng tỏ khả năng vận chuyển các kim loại từ rễ vào trong thân không cao. Hàm lượng Mn, Zn, Cd, Pb và As cao nhất trong rễ tương ứng đạt 3920, 1020, 91, 227, và 183 mg/kg- DW (dry weight – trọng lượng khô). Hàm lượng Mn, Zn, Cd, Pb và As trong thân