Có rất nhiều phương pháp để xử lý nước thải có chứa kim loại nặng như các phương pháp hóa học, hóa lý hay sinh học.
Dưới đây là một số phương pháp xử lý kim loại đồng, chì trong nước:
a) Phương pháp kết tủa hóa học
Quá trình này chuyển đồng từ dạng ion Cu2+ , Pb2+ trong nước thành các dạng ít tan (thường là các hidroxit kết tủa), sau đó loại bỏ chúng bằng quá trình lắng, lọc. Người ta có thể bỏ đồng bằng cách chuyển đồng về dạng Cu(OH)2 hoặc kết tủa dưới dạng CuS, có thể bỏ chì bằng cách chuyển chì về dạng Pb(OH)2 hoặc kết tủa dưới dạng PbS hoặc PbCO3 …
Cu 2+ + 2 OH- Cu(OH)2 Cu2+ + S2- CuS Pb2++ S2- PbS Pb2+ + CO3 2- PbCO3 Pb2+ + 2 OH- Pb(OH)2
Đối với phương pháp kết tủa hóa học thì pH đóng vai trò rất quan trọng. Khi xử lý cần chọn tác nhân phản ứng và điều chỉnh pH phù hợp. Phương pháp kết tủa hóa rẻ tiền, ứng dụng rộng nhưng cho hiệu quả không cao, phụ thuộc vào nhiều yếu tố (nhiệt độ, pH, bản chất kim loại) [1,3].
b) Phương pháp trao đổi ion
Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hydrocacbon và các nhóm chức trao đổi ion. Quá trình trao đổi ion được tiến hành trong cột Cationit và Anionit. Các vật liệu nhựa này có thể thay thế được mà không làm thay đổi tính chất vật lý của các chất trong dung dịch và cũng không làm biến mất hoặc hoà tan. Các ion dương hay âm cố định trên các gốc này đẩy ion cùng dấu có trong dung dịch làm thay đổi số lượng tải toàn bộ có trong chất lỏng trước khi trao đổi. Đối với xử lý kim loại hoà tan
RmB + mA mRA + B
Phản ứng được xảy ra cho tới khi cân bằng được thiết lập. Quá trình gồm các giai đoạn như sau:
- Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất lỏng tới bề mặt ngoài của lưới biên màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion.
- Khuyếch tán các ion qua lớp ngoài.
- Chuyển ion đã khuyếch tán qua biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi. - Khuyếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các nhóm chức năng
trao đổi ion.
- Phản ứng hóa học trao đổi ion A và B.
- Khuyếch tán ion B bên trong hạt trao đổi tới biên giới phân pha.
- Chuyển ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màng chất lỏng. - Khuyếch ion B qua màng.
- Khuyếch tán ion B vào nhân dòng chất lỏng.
Phương pháp trao đổi ion có ưu điểm là tiến hành ở quy mô lớn và với nhiều loại kim loại khác nhau, có thể thu hồi lại được các kim loại. Tuy vậy lại tốn nhiều thời gian, tiến hành khá phức tạp do phải hoàn nguyên vật liệu trao đổi.
K. Srinivasa Rao và cộng sự [20] đã nghiên cứu xử lý nước thải có chứa Pb2+ bằng cách sử dụng hai loại nhựa trao đổi ion khác nhau là Duolite ES 467 (có chứa nhóm amino-phosphonic) và nhựa vòng càng trao đổi ion (có chứa nhóm chức axit hydroxamic). Thời gian đạt trạng thái cân bằng là 30 phút, pH tối ưu là 2 và 3. Hiệu suất đạt được là 11,63 và 33,96 g/dm3 với các loại nhựa tương ứng.
c) Phương pháp đông tụ và keo tụ
Cơ sở của phương pháp là dựa trên quá trình trung hòa điện tích giữa các hạt keo và liên kết các hạt keo lại với nhau, dẫn đến trạng thái keo của các hạt bị phá vỡ
tạo thành các khối bông lớn và sa lắng xuống. Trong quá trình sa lắng chúng kéo theo các hạt lơ lửng và các tạp chất khác.
Các chất đông tụ thường dùng là các muối nhôm, sắt hoặc hỗn hợp 2 muối đó như Al2(SO4)3.18H2O, KAl(SO4)3.12H2O, Fe2(SO4)3.2H2O, FeCl3… Việc lựa chọn chất đông tụ phụ thuộc vào tính chất hóa lý, nồng độ của các tạp chất trong nước, pH và giá thành của các chất đông tụ. Để tăng cường hiệu quả của quá trình đông tụ người ta còn dùng chất trợ đông tụ có nguồn gốc thiên nhiên như tinh bột, xenlulozơ…
d) Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách pha. Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mà người ta chia ra hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Trong rất nhiều quá trình hấp phụ, xảy ra đồng thời cả hai hình thức hấp phụ này.
Quá trình hấp phụ thường bao gồm ba giai đoạn sau:
- Khuếch tán ngoài: quá trình di chuyển chất cần hấp phụ từ dung dịch tới bề mặt chất hấp phụ.
- Quá trình giữ (liên kết) tạp chất trên bề mặt chất hấp phụ.
- Khuếch tán trong: di chuyển các chất vào bên trong các lỗ mao quản.
Thường giai đoạn hấp phụ giữ chất trên bề mặt xảy ra nhanh do đó tốc độ chung của cả quá trình phụ thuộc vào quá trình khuếch tán ngoài hoặc khuếch tán trong. Vận tốc khuếch tán ngoài phụ thuộc vào tốc độ khuấy trộn, vận tốc dòng chảy, nhiệt độ… Vận tốc khuếch tán trong phụ thuộc vào kích thước hình dạng mao quản, kích thước của chất bị hấp phụ [33].
Hấp phụ là một trong những phương pháp được đánh giá cao bởi chi phí thấp, cách sử dụng đơn giản, hiệu quả và thân thiện với môi trường.
Các chất hấp phụ thường sử dụng phổ biến như than hoạt tính, zeolit, oxit nhôm, silicagel, ziconi…vì chúng có một số tính chất và cấu trúc đặc biệt như: diện tích bề mặt lớn, bền vật lý, bền nhiệt. Oxit nhôm đã được sử dụng để loại bỏ niken [25], chì và cacdimi [13]. Nhôm oxit biến tính còn là một chất hấp phụ tốt để tách các ion kim loại nặng trong nước. Các vật liệu như mùn cưa, xơ dừa, trấu, vỏ các loại đậu, bã mía… đã được nghiên cứu cho thấy khả năng tách loại kim loại nặng hòa tan trong nước nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polyme như cenllulose, pectin, lignin và protein.
Trong nước, một số công trình nghiên cứu loại bỏ ion đồng, chì bằng vật liệu hấp phụ đã được chứng minh. Ví dụ loại bỏ ion chì bằng vật liệu hấp phụ tanin chiết tách từ vỏ keo tai tượng của nhóm tác giả trường Đai học Bách khoa Đà Nẵng có hiệu quả tương đối cao. Vật liệu này có khả năng hấp phụ Pb2+ ở pH = 6, nồng độ đầu của dung dịch Pb2+ = 2,0mg/l. Quá trình hấp phụ Pb2+ tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich [2]; loại bỏ ion đồng từ bã đậu nành biến tính của tác giả Trần Thị Ngọc Ngà - trường Đai học Đà Nẵng có hiệu quả tương đối cao. Vật liệu này có khả năng hấp phụ Cu2+ ở pH = 5, nồng độ đầu của dung dịch Cu2+ = 20mg/l. Quá trình hấp phụ Cu2+ tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [2]. Một số nghiên cứu khác của nhóm tác giả trường Đại học Quốc Gia Hồ Chí Minh đã sử dụng vật liệu hấp phụ tự nhiên để xử lý kim loại nặng trong bùn thải công nghiệp. Zeolit tự nhiên đã qua sơ chế dạng aluminosilicate ngậm nước và vỏ tôm cua (chitin thô) của ngành công nghiệp thủy sản đã được dùng làm vật liệu hấp phụ. Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy vật liệu này có khả năng xử lý Pb2+ với hiệu quả cao [5].
Ở nước ngoài người ta cũng thực hiện một số công trình nghiên cứu cho kết quả khả quan như sử dụng tro trấu bay [22], than hoạt tính [35], bùn đỏ [36] làm vật liệu hấp phụ chì ra khỏi nước thải.
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM