Buswell đã đưa ra công nghệ kết tủa, lắng, lọc bằng muối kim loại để xử lý asen. Muối kim loại thường được sử dụng là muối nhôm và muối sắt như sắt clorua hoặc sắt sunfat. Sắt sunfat cũng thường được sử dụng nhưng hiệu quả xử lý thấp hơn . Biện pháp cố định asen bằng muối nhôm hoặc muối sắt ở quy mô phòng thí nghiệm có hiệu quả xử lý tới 99% ở các điều kiện tối ưu và nồng độ asen còn lại
dưới 1g/l. Còn đối với các hệ xử lý thực tiễn ngoài hiện trường, hiệu quả xử lý
46
Khi muối nhôm và sắt được hòa tan vào nước, hình thành dung dịch nhôm hydroxit vô định hình và sắt hydroxit, oxit (HAO và HFO) ít tan. Những hydroxit kim loại này hình thành dạng kết keo và kết lại thành các dạng kết bông khác nằm trong dung dịch và kéo theo các chất hoà tan trong quá trình xử lý. Nếu nước mềm và có độ kiềm thấp, thì bổ xung các chất kiềm để dễ tạo thành các chất kết bông. Đôi khi người ta cũng thêm các polymer và chất keo để tạo quá trình kết bông và lắng đọng tốt hơn.
Cheng và các cộng sự cũng đã chỉ ra rằng khi thêm 2-4 mg/L cation polymer giúp giảm hàm lượng chất kết tủa tới 2/3 mà không làm giảm hiệu quả xử lý asen. Vì vậy các polymer và chất tạo keo có thể được sử dụng để làm tăng hiệu quả cố định và xử lý asen và làm giảm thể tích bùn thải.
Cơ chế cố định loại bỏ asen
Trong quá trình keo tụ và lọc, asen được cố định thông qua ba cơ chế chính :
Kết tủa: Sự hình thành của các hợp chất ít tan Al(AsO4) hoặc Fe(AsO4)
Cộng kết : Kết hợp các dạng asen hoà tan vào các pha hydroxit kim loại
Hấp phụ: Sự liên kết của asen hoà tan với bề mặt ngoài của các hydroxit kim
loại.
Cả ba cơ chế này có thể sử dụng độc lập đối với quá trình cố định và loại bỏ chất ô nhiễm. Trong trường hợp cố định asen, kết tủa trực tiếp có vai trò không quan trọng. Tuy nhiên quá trình cộng kết và hấp phụ lại là hai cơ chế cố định loại bỏ asen có hiệu quả. Cộng kết là cơ chế rất quan trọng, khi hình thành HFO, nó có thể cố định và loại bỏ được asen có nồng độ gấp năm lần trong dung dịch. Ngoài ra, quá trình hấp phụ là cơ chế có ưu thế hơn cả đối với việc cố định loại bỏ asen.
Quá trình tạo kết tủa hấp phụ bề mặt của asen lên HFO và HAO tạo chất keo ở dạng lơ lửng.
Quá trình lọc là bước quan trọng để bảo đảm cho việc loại bỏ asen có hiệu quả. Sau khi kết tủa và lắng đọng chưa qua lọc thì hiệu quả xử lý asenate đạt khoảng 30%; sau khi lọc qua phin lọc 1 micron thì hiệu quả đạt tới 96%.
47
Quá trình cố địnhloại bỏ asenate
Asenate là dạng dễ cố định và loại bỏ khỏi nước, do ở pH lớn hơn 2,2 , Asenate tích điện âm nên do lực hút tĩnh điện dễ bị hydroxide kim loại bề mặt tích điện dương hút vào. Khả năng hấp phụ tối đa của asen trong khoảng 0.1 M As(V)/ 1M Fe hoặc Al. Khi các chất hấp phụ được hình thành thì khả năng hấp phụ cao hơn khoảng 0,5 đến 0,6 M As(V)/ 1 M Fe hoặc Al. Sự khác biệt này phản ánh sự ảnh hưởng của quá trình cộng kết dẫn đến hiệu quả xử lý asen cao hơn.
HFO ổn định và không hoà tan ở pH thấp 4-5, nhưng HAO lại hoà tan ở khoảng pH thấp hơn 6 và cao hơn 8. Do đó quá trình xử lý asen bằng nhôm chỉ có hiệu quả trong khoảng pH 6 -7. Lượng chất keo tụ phụ thuộc vào đặc tính hoá học
của nguồn nước và yêu cầu về hiệu quả xử lý nhưng thường nằm trong khoảng 5
30 mg/L FeCl3.
ở khoảng pH mà ở đó HFO và HAO hoà tan ( pH 6-7) thì có muối đơn và muối kép (phèn) có hiệu quả xử lý asen như nhau. Tuy nhiên tính theo trọng lượng thì muối sắt có hiệu quả hơn. Sự khác biệt này là do trọng lượng phân tử của phèn cao hơn so với sắt clorua không bị hydrat hoá. Một mol nhôm trong phèn có trọng lượng xấp xỉ gấp hai lần một mol sắt trong sắt clorua. Vì vậy cần một lượng phèn gấp đôi lượng sắt clorua (theo trọng lượng) để tạo ra lượng chất hấp phụ như nhau.
H×nh 1.7: Kh¶ n¨ng hÊp phô cña HFO phô thuéc vµo pH vµ hµm l-îng s¾t.
48
Quá trình cố định loại bỏ arsenite
Arsenite không tích điện trong nước tự nhiên ( pH< 9.2) vì vậy rất khó xử lý vỡ không có lực hút tĩnh điện với các chất rắn tích điện. Nhôm không có hiệu quả trong việc loại bỏ arsenite với mật độ bề mặt tối đa khoảng 0,04 M As/M Al khi tạo thành HAO.Trong khi đó muối sắt có hiệu quả hơn với mật độ bề mặt tối đa trên HFO tạo thành khoảng 0,4 M As/M Fe. Đây là hiện tượng bất thường do sắt (III) ôxy hoá arsenite tạo thành arsenate và các ion sắt sau đó tiếp tục bị ôxy hoá thành ion sắt hóa trị cao hơn tạo quá trình cộng kết của arsenate. Sự hấp phụ của arsenite trên HFO không nhạy lắm với sự thay đổi pH của nước tự nhiên ( pH 5-8 ). Tuy nhiên một số nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy rằng hiệu quả loại bỏ arsenite cao hơn đối với hấp phụ lên HFO và hiệu quả tốt nhất ở giá trị pH= 4 và pH= 9, thấp nhất ở giá trị pH =6. Kết quả không mong muốn này có thể là do sự hình thành các hạt kết bông nhỏ hơn ở giá trị pH đó, nên nó có diện tích bề mặt hấp phụ lớn hơn.
Quá trình kết tủa, cộng kết, hấp phụ và trao đổi ion đều chuyển chất ô nhiễm từ trạng thái hoà tan sang trạng thái rắn. Trong một vài trường hợp chất rắn có kích thước hạt lớn to và cố định (chẳng hạn như các hạt nhựa trao đổi ion) thì không cần phân tách rắn/lỏng. Nếu chất rắn được hình thành ngay tại chỗ (qua quá trình kết tủa
H×nh 1. 8: Qu¸ tr×nh hÊp phô arsenite trên HAO phô thuéc vµo pH vµ hµm l-îng s¾t
49
hoặc keo tụ) thì phần chất rắn phải được tách ra khỏi nước để có hiệu quả xử lý cao hơn. Phương pháp tách được sử dụng hiệu quả nhất cho mục đích này là lọc cát.
Ngoài ra oxit sắt và oxit nhôm cũng được sử dụng hấp phụ tốt As(V). Phốt phát và silicat là hai ion ảnh hưởng hiệu suất hấp phụ của oxit sắt và oxit nhôm. S.Chakravarty sử dụng quặng Mn chứa Fe để tách loại As khỏi nước ngầm. Thành phần chính của quặng là pyrolusit và geothite. Quặng FMO có khả năng hấp phụ tốt As(III) và As(V). Cả hai dạng đều hấp phụ ở vùng pH 2-8. FMO hấp phụ As(III) tốt hơn As(V) và có khả năng tách hoàn toàn As khỏi nước ngầm có hàm lượng As trong khoảng 0,04 -0,18 ppm .
Nghiên cứu của Ayaz Mehmood về khả năng hấp phụ của đá vôi chỉ ra rằng
hydroxit/oxit quan trọng nhất trong đất đá vôi là goethite (FeOOH), goethite hấp
phụ asen theo cơ chế trao đổi ligan tạo Fe – O – AsO (OH) – O - Fe và Fe – O – As (OH) – O - Fe. Đá vôi hấp phụ As tăng khi pH =6 - 10 tối ưu 10-12 .