Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật chất: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) của quặng sắt biến tính và thử nghiệm xử lý môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm khảo sát một số đặc trưng hóa lý của vật liệu hấp phụ bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của vật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật chất: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) của quặng sắt biến tính và thử nghiệm xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM DƯƠNG THỊ MÂY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) CỦA QUẶNG SẮT BIẾN TÍNH VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - NĂM 2016
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM DƯƠNG THỊ MÂY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) CỦA QUẶNG SẮT BIẾN TÍNH VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: HOÁ PHÂN TÍCH Mã số: 60 44 01 18 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu THÁI NGUYÊN - NĂM 2016
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận của luận văn chưa công bố trong bất kỳ công trình nào khác. i
LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa sau Đại học, các thầy cô trong Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu.. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 10 năm 2016 Học viên Dương Thị Mây ii
MỤC LỤC Trang Lời cam đoan ........................................................................................................ i Lời cảm ơn ............................................................................................................ i Mục lục ...............................................................................................................iii Danh mục các từ viết tắt ..................................................................................... iv Danh mục các bảng.............................................................................................. v Danh mục các hình ............................................................................................. vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 Chương 1: TỔNG QUAN ................................................................................ 3 1.1. Giới thiệu chung về ion kim loại nặng ......................................................... 3 1.1.1. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng.................................. 3 1.1.2. Tính chất của kim loại nặng ................................................................... 3 1.1.3. Giới thiệu về crom, mangan, sắt ........................................................... 4 1.1.4. Quy chuẩ n Viêṭ Nam về nước thải công nghiệp .................................... 6 1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ............................................................. 7 1.2.1. Sự hấp phụ .............................................................................................. 7 1.2.2. Hấp phụ trong môi trường nước............................................................. 8 1.2.3. Xác đinh ̣ dung lươ ̣ng hấ p phu ̣ cân bằ ng, hiêụ suấ t hấ p phu ̣ ................ 10 1.2.4. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ .......................................... 10 1.3. Một số hướng nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng .......... 13 1.4. Giới thiệu về quặng sắt và một số phương pháp chế tạo vật liệu ............... 14 1.4.1. Giới thiệu về quặng sắt ........................................................................ 14 1.4.2. Một số phương pháp chế tạo vật liệu ................................................... 15 Chương 2: THỰC NGHIỆM ......................................................................... 18 2.1. Thiết bị và hóa chấ t .................................................................................... 18 2.1.1. Thiết bị ................................................................................................. 18 iii
2.1.2. Hoá chấ t................................................................................................ 18 2.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) theo phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử .......................................................... 19 2.2.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Fe(II) ........................... 20 2.2.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Mn(II) ......................... 21 2.2.3. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Cr(VI) ......................... 22 2.3. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ của nguyên liệu..................................... 22 2.4. Chế tạo vật liệu hấp phụ ............................................................................ 23 2.4.1. Chuẩn bị nguyên liệu ........................................................................... 23 2.4.2. Phương pháp chế tạo ............................................................................ 23 2.5. Khảo sát sơ bộ Khả năng hấp phụ của VLHP đã chế tạo được .................. 24 2.6. Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lí của nguyên liệu và VLHP M1 ........... 24 2.6.1. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của VLHP M1...................................... 24 2.6.2. Thành phần pha của nguyên liệu và VLHP M1 ................................... 25 2.6.3. Diện tích bề mặt riêng của Nguyên liệu Và VLHP M1........................ 26 2.7. Xác định điểm đẳng điện của VLHP M1 .................................................... 26 2.8. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) của VLHP M1 theo phương pháp hấp phụ tĩnh ........................ 27 2.8.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ........................................................ 27 2.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH ................................................................. 27 2.8.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP M1 ................................... 27 2.8.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) của VLHP M1 ................................................................................................. 28 2.9. Khảo sát ảnh hưởng của ion Mg(II), Ca(II) tới khả năng hấp phụ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) của VLHP M1............................................................................ 28 2.10. Xử lý mẫu nước thải chứa Fe(II), Mn(II), Cr(VI) .................................... 29 iv
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 30 3.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) theo phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử ...................................... 30 3.1.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Fe(II) .............. 30 3.1.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II)................... 30 3.1.3. Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Cr(VI) ............ 31 3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu .............................................. 32 3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP M1 ................................................. 33 3.4. Kết quả nghiên cứu một số đặc trưng hóa lí của VLHP M1 ....................... 34 3.4.1. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của VLHP M1...................................... 34 3.4.2. Thành phần pha của VLHP M1 ............................................................ 34 3.4.3. Diện tích bề mặt riêng .......................................................................... 36 3.5. Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP M1 ....................................... 36 3.6. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) của VLHP M1 theo phương pháp hấp phụ tĩnh ........................ 37 3.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ........................................................ 37 3.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH ................................................................. 40 3.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP M1 ................................... 44 3.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) của VLHP M1 ........................................................................ 47 3.7. Ảnh hưởng của ion Ca(II), Mg(II) tới khả năng hấp phụ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) của VLHP M1......................................................................................... 52 2.10. Xử lí mẫu nước thải chứa Fe(II), Mn(II), Cr(VI) ..................................... 55 KẾT LUẬN....................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 58 PHỤ LỤC v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Từ nguyên gốc 1 BET Brunaur – Emmetle – Teller 2 NL Nguyên liệu 3 SEM Scanning Electron Microscopy 4 UV – Vis Ultraviolet Visble 5 XRD X-ray Diffration 6 VLHP Vật liệu hấp phụ iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ của một số ion kim loại trong nước thải công nghiệp ......................................................................................... 6 Bảng 2.1: Kí hiệu các VLHP chế tạo được ....................................................... 23 Bảng 3.1: Số liệu xây dựng đường chuẩn của Fe(II)......................................... 30 Bảng 3.2: Số liệu xây dựng đường chuẩn của Mn(II) ....................................... 31 Bảng 3.3: Số liệu xây dựng đường chuẩn của Cr(VI) ....................................... 32 Bảng 3.4: Số liệu khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu đối với ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) ........................................................................ 32 Bảng 3.5: Số liệu khảo sát khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Fe(II), Mn(II), Cr(VI) ................................................................................... 33 Bảng 3.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện của VLHP M1 ............................... 36 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ ion Fe(II) của VLHP M1 ........................................................................................... 37 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) của VLHP M1 ........................................................................................... 38 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) của VLHP M1 ........................................................................................... 39 Bảng 3.10: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ion Fe(II) của VLHP M1 ... 40 Bảng 3.11: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) của VLHP M1.. 42 Bảng 3.12: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) của VLHP M1 .. 43 Bảng 3.13: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP M 1 đến hiệu suất hấp phụ ion Fe(II) ................................................................................... 44 Bảng 3.14: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP M 1 đến hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) ................................................................................. 45 Bảng 3.15: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP M 1 đến hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) ........................................................................................... 46 v
Bảng 3.16: Ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Fe(II) đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của VLHP M1 ....................................................... 47 Bảng 3.17: Ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Mn(II) đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của VLHP M1 ....................................................... 49 Bảng 3.18: Ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Cr(VI) đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của VLHP M1 ....................................................... 50 Bảng 3.19: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir của Fe(II), Mn(II) và Cr(VI) ............................................................................... 52 Bảng 3.20: Ảnh hưởng của ion Mg(II), Ca(II) đến khả năng hấp phụ của Fe(II), Mn(II), Cr(VI) ........................................................................ 53 Bảng 3.21: Kết quả xử lí Fe(II), Mn(II), Cr(VI) trong nước thải ...................... 55 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ................................................... 12 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb............................................................. 12 Hình 2.1: Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ .................................................... 24 Hình 3.1: Đường chuẩn xác định nồng độ Fe(II) .............................................. 30 Hình 3.2: Đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) ............................................. 31 Hình 3.3: Đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) ............................................. 32 Hình 3.4: Khả năng hấp phụ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) của NL và các mẫu VLHP ...... 33 Hình 3.5: Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của VLHP M1 ................................... 34 Hình 3.6: Giản đồ XRD của nguyên liệu .......................................................... 35 Hình 3.7: Giản đồ XRD của VLHP M1 ............................................................. 35 Hình 3.8: Biểu diễn điểm đẳng điện của VLHP M1 .......................................... 37 Hình 3.9: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Fe(II)..................... 38 Hình 3.10: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) ................. 39 Hình 3.11: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Cr(VI) ................. 40 Hình 3.12: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Fe(II) của VLHP M1 .... 41 Hình 3.13: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) của VLHP M1 .. 42 Hình 3.14: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của VLHP M1 .. 43 Hình 3.15: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP M1 đến hiệu suất hấp phụ Fe(II) ...... 45 Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng VLHP M1 đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) ........................................................................... 46 Hình 3.17: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP M1 đến hiệu suất hấp phụ Cr(VI)..... 47 Hình 3.18: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu của Fe(II).......48 Hình 3.19: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP M1 đối với Fe(II) ....... 48 Hình 3.20: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Fe(II) ................................. 48 Hình 3.21: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu của Mn(II) .....49 Hình 3.22: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP M1 đối với Mn(II) .. 50 vi
Hình 3.23: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Mn(II) ............................... 50 Hình 3.24: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu của Cr(VI).... 51 Hình 3.25: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP M1 đối với Cr(VI) ..... 51 Hình 3.26: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Cr(VI) ................................. 51 Hình 3.27: Ảnh hưởng của ion Ca(II), Mg(II) tới quá trình hấp phụ của Fe(II) .......53 Hình 3.28: Ảnh hưởng của ion lạ tới quá trình hấp phụ của Mn(II) ................. 54 Hình 3.29: Ảnh hưởng của ion lạ tới quá trình hấp phụ của Cr(VI) ................. 54 vii
MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường đã và đang là một vấn đề nóng bỏng mang tính toàn cầu. Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường chủ yếu là do hoạt động sản xuất trong các khu công nghiệp và khai thác khoáng sản, khai thác dầu khí...Thái Nguyên là tỉnh chứa nhiều tiềm năng phát triển, nhiều khu công nghiệp được xây dựng, hoạt động khai thác khoáng sản được mở rộng. Từ đó môi trường nước tại gần các khu công nghiệp, khu khai thác khoáng sản có biểu hiện ô nhiễm kim loại nặng rõ rệt, gây ảnh hưởng đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống. Vì vậy, việc quan tâm xử lý ô nhiễm môi trường có ý nghĩa to lớn với cuộc sống hiện tại và tương lai sau này. Trong thời đại khoa học và công nghệ ngày càng phát triển thúc đẩy mạnh mẽ việc áp dụng khoa học, kỹ thuật để xử lý môi trường nước góp phần giảm thiểu tác hại do ô nhiễm môi trường nước. Hiện nay, các phương pháp xử lý nước thải thường sử dụng là phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý (phương pháp keo tụ, phương pháp hấp phụ, phương pháp trung hòa…), phương pháp sinh học (phương pháp hiếu khí và kị khí)…. Trong phương pháp hóa lý có phương pháp hấp phụ được lựa chọn và mang lại hiệu quả cao. Ưu điểm của phương pháp này là đi từ nguyên liệu rẻ, sẵn có, quy trình đơn giản và không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại. Hiện nay việc sử dụng các vật liệu tự nhiên, phổ biến, giá thành rẻ như phế thải nông nghiệp (lõi ngô, vỏ lạc, vỏ trấu…), các loại zeolit, than, tro bay, rong biển, quặng, bentonit… để xử lý chất ô nhiễm nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Việt Nam là một trong những quốc gia có nguồn khoáng sản kim loại rất phong phú và đa dạng như: Quặng sắt, quặng mangan, quặng chì, quặng kẽm. Quặng sắt phân bố rất rộng rãi và dễ khai thác, đó là các mỏ sắt Trại Cau (Thái nguyên), Quý Xá (Yên Bái), Quý Xa (Lào Cai), Mộ Đức (Quảng Ngãi), Phú Thọ, Cao Bằng…Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng quặng sắt làm chất hấp phụ, xúc tác đặc biệt cho lĩnh vực xử lí môi trường còn ít được quan tâm, 1
nghiên cứu. Xuất phát từ những lý do đó, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) của quặng sắt biến tính và thử nghiệm xử lý môi trường”. Trong đề tài chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ quặng sắt Trại Cau – Thái Nguyên. - Khảo sát một số đặc trưng hóa lý của vật liệu hấp phụ bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). - Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của vật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. - Sử dụng vật liệu hấp phụ chế tạo được thử nghiệm xử lý mẫu nước thải chứa Fe(II), Mn(II), Cr(VI) Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, bố cục của luận văn này được trình bày trong 3 chương: - Chương 1: Tổng quan. - Chương 2: Thực nghiệm. - Chương 3: Kết quả và thảo luận. 2
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về ion kim loại nặng 1.1.1. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay, do tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh cùng với sự gia tăng dân số gây ra tình trạng ô nhiễm kim loại nặng vô cùng nghiêm trọng đối với tài nguyên nước của nước ta. Ngoài hai thành phố lớn là thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh còn có các tỉnh như: Bà Rịa - Vũng Tàu, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hà Tĩnh, …là những nơi tập trung nhiều khu sản xuất, chế biến và nhiều khu công nghiệp với mức độ gây ô nhiễm kim loại nặng rất cao. Nước thải của khu công nghiệp, khu khai thác và chế biến do không có công trình hoặc thiết bị xử lý nước thải nên đổ thẳng vào hồ, sông, suối, kênh, rạch không chỉ gây ảnh hưởng đến môi trường nước mà còn gây ảnh hưởng môi trường đất và môi trường sinh vật làm chết hàng loạt nhiều vi sinh vật và động vật trong nước, ảnh hưởng xấu đến cảnh quan và môi trường sinh thái. Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải công nghiệp từ cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim màu, khai thác than chưa được xử lý được đổ trực tiếp ra Sông Cầu. Nhiều làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm thuộc các tỉnh lưu vực Sông Cầu với lưu lượng nước thải hàng ngàn m3/ ngày không qua xử lý, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực [14]. 1.1.2. Tính chất của kim loại nặng Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học [28], không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi cacbon ngắn dẫn đến sự tích tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm [26]. Các nguyên tố kim loại nặng như chì, thủy ngân, nhôm, asen, cadimi, niken ở nồng độ lớn sẽ gây độc với cơ thể con người cũng như động, thực vật. 3
Một số kim loại nặng được tìm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con người, chẳng hạn như sắt, kẽm, magie, coban, mangan và đồng mặc dù với lượng rất ít nhưng nó hiện diện trong quá trình chuyển hóa. Các nguyên tố kim loại còn lại là các nguyên tố không thiết yếu và có thể gây độc tính cao khi hiện diện trong cơ thể, tuy nhiên tính độc chỉ thể hiện khi chúng đi vào chuỗi thức ăn. Các nguyên tố này bao gồm thủy ngân, niken, chì, asen, nhôm và đồng ở dạng ion kim loại. Chúng đi vào cơ thể qua các con đường hấp thụ của cơ thể như hô hấp, tiêu hóa và qua tiếp xúc với da. Nếu kim loại nặng đi vào cơ thể và tích lũy bên trong tế bào lớn hơn sự phân giải chúng thì chúng sẽ tăng dần và sự ngộ độc sẽ xuất hiện. Do vậy người ta bị ngộ độc không những với hàm lượng cao của kim loại nặng mà cả khi với hàm lượng thấp và thời gian kéo dài sẽ đạt đến hàm lượng gây độc. Tính độc hại của các kim loại nặng được thể hiện qua: (1) một số kim loại nặng có thể bị chuyển từ dạng độc thấp sang dạng độc cao hơn trong một vài điều kiện môi trường, ví dụ thủy ngân. (2) Sự tích tụ và khuếch đại sinh học của các kim loại này qua chuỗi thức ăn có thể làm tổn hại các hoạt động sinh lý bình thường và sau cùng gây nguy hiểm cho sức khỏe của con người. (3) Tính độc của các nguyên tố này có thể ở một nồng độ rất thấp khoảng 0,1-10 mg/L [19]. 1.1.3. Giới thiệu về crom, mangan, sắt 1.1.3.1. Crom và ảnh hưởng của crom Crom trong cơ thể người trưởng thành chứa trung bình từ 1-5 mg và trong máu là 10 g / L . Crom cần cho sự chuyển hóa của gluxit và lipit, crom còn liên kết với sự chuyển hoá lipit, bổ sung crom làm gia tăng hàm lượng cholesterol tốt, làm giảm các glycerit và từ đó góp phần ngăn ngừa sự tích tụ mỡ bên trong các mạch máu, chống xơ vữa động mạch, điều hoà và giảm huyết áp ở người có tuổi [13]. 4
Crom trong nước thải thường gặp ở dạng Cr(III) và Cr(VI). Cr(III) không độc với một lượng nhỏ có lợi cho quá trình trao đổi chất của con người nhưng Cr(VI) lại rất độc hại nó gây nguy hiểm cho gan và thận. Nếu lượng lớn crom vào cơ thể qua đường tiêu hoá sẽ gây ngộ độc nặng có thể dẫn đến tử vong, còn qua đường tiếp xúc lâu dài sẽ bị loét da, viêm kết mạc, viêm mũi và ảnh hưởng đến hô hấp [16]. Cr(VI) thường được đưa vào vùng nước tự nhiên từ nhiều nguồn nước thải công nghiệp bao gồm nước thải từ các ngành dệt nhuộm, mạ điện và các ngành công nghiệp khai khoáng. 1.1.3.2. Mangan và ảnh hưởng của mangan Mangan là nguyên tố tương đối phổ biến, nó thường nằm trong đất dưới dạng khoáng. Mangan tồn tại trong tự nhiên chủ yếu ở dạng Mn(II) ở trong các hợp chất muối tan của sunfat, nitrat, clorua. Mangan có mặt trong nước ở dạng ion hòa tan (Mn2+). Mangan là nguyên tố rất cần thiết đối với con người và động, thực vật. Mangan có vai trò quan trọng trong cơ thể như: Tác động đến hô hấp tế bào, phát triển xương, chuyển hóa gluxit, hoạt động của não, cảm giác cân bằng. Mangan cũng được sử dụng nhiều trong công nghiệp luyện thép. Các hợp chất mangan được sử dụng để làm chất tạo màu và nhuộm màu cho gốm và thủy tinh. Ion magan là chất hoạt hóa một số enzim xúc tiến cho các quá trình tạo chất clorophin (chất diệp lục), tạo máu và sản xuất những kháng thể nâng cao sức đề kháng của cơ thể. Mangan làm giảm lượng đường trong máu nên hạn chế được bệnh tiểu đường. Tuy nhiên nếu hàm lượng mangan có trong nước cao sẽ gây ra những vết ố bẩn trên tất cả những thứ mà nó tiếp xúc. Vì vậy sử dụng nước hằng ngày để lau rửa, giặt giũ sẽ gây ảnh hưởng đến độ bền của đồ dùng. Mangan cũng gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh, nếu mangan hấp thụ vào cơ thể với lượng lớn có thể gây độc cho phổi, hệ thần kinh, thận và tim mạch [16]. 5
1.1.3.3. Sắt và ảnh hưởng của sắt Sắt là một trong những kim loại có nhiều trong vỏ trái đất. Nồng độ của nó trong nước tự nhiên có thể từ 0,5 - 50 mg/L. Sắt còn có thể hiện diện trong nước uống do quá trình keo tụ hóa học bằng hợp chất của sắt do sự ăn mòn ống dẫn nước. Sắt là một nguyên tố căn bản trong dinh dưỡng của con người. Nhu cầu tối thiểu về sắt hàng ngày tuỳ thuộc vào tuổi, giới tính, thể chất thay đổi từ 10 - 50 mg/ngày [16]. Sắt có vai trò rất cần thiết đối với mọi cơ thể sống, ngoại trừ một số vi khuẩn. Sắt là nguyên tố vi lượng tham gia vào cấu tạo thành phần hemoglobin của hồng cầu, myoglobin của cơ vân và các sắc tố hô hấp ở mô bào và trong các enzim như: catalase, peroxidase… Sắt là thành phần quan trọng của nhân tế bào. Cơ thể thiếu sắt sẽ bị thiếu máu nhất là phụ nữ có thai và trẻ em. Sắt thường tồn tại trong nước ngầm dưới dạng ion có hoá trị II là thành phần của các muối hoà tan như: Fe(HCO3)2, FeSO4. Hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu. Sắt hòa tan làm cho nước có mùi kim loại, khi hàm lượng sắt cao sẽ làm cho nước có mùi tanh, có màu vàng. Nếu lượng sắt có trong cơ thể vượt quá 0,3 mg/L sẽ gây ứ đọng sắt tại các mô như tim, gan, tuyến nội tiết dẫn đến rối loạn trầm trọng các chức năng các cơ quan này. Sắt được coi là chất ô nhiễm thứ cấp hoặc chất gây mất thẩm mĩ cho nước. 1.1.4. Quy chuẩ n Viê ̣t Nam về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT quy đinh ̣ nồ ng đô ̣ của ion kim loại trong nước thải công nghiệp như sau: Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ của một số ion kim loại trong nước thải công nghiệp Giá trị giới hạn STT Nguyên tố Đơn vị A B 1 Crom (VI) mg/L 0,05 0,00 2 Sắt mg/L 1,00 5,00 3 Mangan (II) mg/L 0,50 1,00 6
Trong đó: Cột A quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Cột B quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt [15]. 1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 1.2.1. Sự hấp phụ Sự hấp phu ̣ là quá trin ̀ h tić h lũy vâ ̣t chấ t lên bề mặt phân cách pha. Chất hấp phụ là những chấ t có bề mă ̣t tiế p xúc lớn mà trên đó xảy ra quá trình hấp phu ̣. Chấ t bi ̣ hấ p phu ̣ là chấ t được tích lũy trên bề mă ̣t chấ t hấ p phu ̣. Khả năng hấ p phu ̣ của mỗi chất tùy thuô ̣c vào bản chấ t, diêṇ tích bề mă ̣t riêng của chấ t hấ p phu ̣, nhiê ̣t đô ̣, pH và bản chấ t của chấ t tan [11]. Tùy theo bản chấ t của lực tương tác giữa chấ t hấ p phu ̣ và chấ t bi ̣ hấ p phu ̣ mà người ta chia sự hấp phụ thành hấ p phu ̣ vâ ̣t lí và hấ p phu ̣ hóa ho ̣c. - Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vandecvan giữa các phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ. Liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ. - Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp phụ và bề mặt của chất bị hấp phụ. Liên kết này bền, khó bị phá vỡ. Hấp phụ hóa học được coi là trung gian giữa hấp phụ vật lý và phản ứng hóa học. Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, người ta đưa ra một số tiêu chuẩn như sau: - Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hay đa lớp, còn hấp phụ hóa học chỉ là đơn lớp. - Nhiệt lượng hấp phụ: đối với hấp phụ vật lý lượng nhiệt tỏa ra là 2 ÷ 6 kcal/mol, đối với hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol. 7
- Nhiệt độ hấp phụ: hấp phụ vật lý thường xảy ra ở nhiệt độ thấp (gần nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụ), hấp phụ hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi. - Tốc độ hấp phụ: hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy ra nhanh, ngược lại hấp phụ hóa học xảy ra chậm hơn. - Tính đặc thù: hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học bề mặt còn hấp phụ hóa học đòi hỏi phải có ái lực hóa học, do đó phải mang tính đặc thù rõ rệt. Tuy nhiên, trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt đô ̣ thấ p xảy ra quá trình hấ p phu ̣ vật lý, khi tăng nhiêṭ độ khả năng hấ p phu ̣ vâ ̣t lý giảm và khả năng hấ p phu ̣ hóa học tăng lên [2], [10]. Ngược lại với quá trin ̀ h hấp phu ̣ là quá triǹ h giải hấ p phu ̣, đó là quá triǹ h giải phóng chấ t bi ̣hấ p phụ khỏi bề mă ̣t chấ t hấ p phu ̣ [12]. 1.2.2. Hấp phụ trong môi trường nước 1.2.2.1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước Hấp phụ trong môi trường nước thường diễn ra khá phức tạp, vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó. Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: Độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được 8