Đồ án Nghiên cứu, thăm dò khả năng sử dụng chất hấp phụ sinh học có nguồn gốc từ chất thải thủy sản (chitosan) để xử lý kim loại nặng Cr6+

ng nước sau xử lý đáp ứng được chất lượng B TCVN 5495- 1995 + Xử lý được cùng lúc nhiều kim loại + Xử lý được nước thải đối với các nhà máy có quy mô lớn * Nhược điểm : + Với nồng độ kim loại cao thì phương pháp này xử lý không triệt để + Tạo ra bùn thải kim loại + Tốn kinh phí như vận chuyển, chôn lấp khi đưa bùn thải đi xử lý + Khi sử dụng tác nhân tạo kết tủa là OH- thì khó điều chỉnh pH đối với nước thải có chứa kim loại nặng lưỡng tính Zn. CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC Như đã nói ở trên thì phương pháp sinh học là một trong những phương pháp có nhiều hứa hẹn mang lại những hiệu quả tích cực cho việc xử lý kim loại nặng. Đặc biệt tại Việt Nam ngày càng có nhiều hơn các công trình nghiên cứu về ứng dụng của phương pháp sinh học trong xử lý nước thải có chứa kim loại nặng. Sở dĩ phương pháp sinh học đang ngày được quan tâm bởi vì nhưng ưu điểm nổi trội của nó so với các phương pháp khác như: tính gần gũi với tự nhiên, ít tạo ra các ô nhiễm thứ cấp, đặc biệt là rẻ tiền vì có thể tận dụng các loài sinh vật trong tự nhiên. Nhiều các loài sinh vật trong tự nhiên đã đươc các nhà khoa học phát hiện và ứng dụng trong xử lý nước thải kim loại. Hiện nay, trong phương pháp sinh học, xử lý nước thải có chứa kim loại nặng có 4 phương pháp xử lý chính như đã nêu ở trên: + Hấp thu sinh học + Chuyển hóa sinh học + Phương pháp sử dụng lau sậy + Phương pháp sử dụng các quá trình enzym II.1. Phương pháp hấp thu sinh học II.1.1. Định nghĩa phương pháp hấp thu sinh học Phương pháp hấp thu sinh học là phương pháp sử dụng các loài sinh vật trong tự nhiên hoặc các loại vật chất có nguồn gốc sinh học có khả năng giữ lại trên bề mặt hoặc thu nhận bên trong các tế bào của chúng các kim loại nặng khi đưa chúng vào môi trường nước thải có chứa kim loại nặng. Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều loại sinh vật có khả năng hấp thu các kim loại nặng đặc biệt là các loại thực vật thủy sinh như bèo lục bình, rong đuôi chó, bèo tấm, bèo ong, rong xương cá và các loài tảo, vi tảo, nấm... Nhiều công trình khoa học đã nghiên cứu và chứng minh được hiệu quả của các loài thực vật trên trong xử lý nước thải. Ví dụ như: cây Bèo lục bình có khả năng hấp thụ Pb, Cr, Ni, Zn, Fe trong nước thải chứa kim loại mạ. Trong khi đó thì rong đuôi chó và bèo tấm lại có thể giảm thiểu được Fe, Cu, Pb, Zn có trong Hồ Bảy Mẫu. Nói chung, phương pháp xử lý kim loại nặng bằng phương pháp hấp thu sinh học là phương pháp còn khá mới mẻ và nhiều tiềm năng. II.1.2. Giới thiệu phương pháp vi tảo trong xử lý nước thải Phương pháp vi tảo là một trong những phương pháp đầy hứa hẹn trong việc xử lý kim loại nặng. Mặc dù phương pháp sử dụng vi tảo đã được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu từ lâu tuy nhiên đây là phương pháp khá mới mẻ ở Việt Nam. Một số các nghiên cứu đã được bắt đầu và đã thu được kết quả khá khả quan. Một số các chủng vi tảo đã được nghiên cứu và thu được các kết quả khả quan như: Chlorella, Stichococcus, Anabaena, Aphanocapsa, Nostoc... Bảng II.3 : Một số loài vi tảo có khả năng xử lý kim loại nặng LOẠI TẢO KIM LOẠI NẶNG HỆ SỐ NỒNG ĐỘ Tảo Silic Zn 21.600 Chlroococus paris Zn,Cu ,Cd 4000 Chlorella pyrenoidosa Cd 2.000.000 Chlorella sp. Cu, Cd, Ni 2500 Cladophora glomerata Pb 16000 * Cơ chế của phương pháp hấp thu kim loại nặng sử dụng vi tảo Cơ chế của phương pháp hấp thụ kim loại nặng bằng phương pháp vi tảo là khá phức tạp và có thể khác nhau đối với các loại vi tảo khác nhau. Nhìn chung nó có thể xảy ra theo cơ chế: Quá trình hấp thu kim loại nặng bởi vi tảo có thể được chia làm 2 pha + Pha thứ nhất: Gọi là pha hấp phụ sinh học. Tương tự như hấp phụ trong hóa học, hấp phụ trong sinh học cũng tuân theo định luật Langmuir và Freudlich có nghĩa là nồng độ kim loại nằm trên bề mặt tế bào có mối quan hệ tuyến tính đối với nồng độ kim loại nằm trong nước thải. Vì tảo được cấu tạo từ polysaccarit, cellulose, acid uronic và các protein do vậy rất dễ tạo liên kết với các kim loại nặng, chúng đóng vai trò như các tâm hấp phụ, kết nối các kim loại nặng vào mạch của chúng đặc biệt là polysaccarit và protein. Các liên kết tham gia vào quá trình này là liên kết cộng hóa trị và liên kết ion. Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình này là: ảnh hưởng của các ion lạ, của pH, và mật độ tế bào. + Pha thứ hai: Gọi là hấp thu nội bào hay sự tích tụ sinh học. Sự hấp thu nội bào rất mẫn cảm với sự thiếu ánh sáng. Thực chất của sự hấp thu nội bào này cũng là liên kết tạo phức của kim loại trong nhân tế bào. Các kim loại này được giữ trong nhân tế bào. Do vậy, nồng độ kim loại trong nội bào có thể gấp nhiều lần so với nồng độ kim loại nặng bên ngoài. Với sự liên kết trong nội bào này khi nồng độ kim loại nặng trong nội bào tăng cao cũng có thể làm chết một số loại vi tảo tuy nhiên một số khác vẫn phát triển tốt sau khi hấp thu một lượng lớn các kim loại nặng. Do vậy tốc độ hấp thu nội bào phụ thuộc rất lớn vào trạng thái tế bào và thành phần tế bào. Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình hấp thu nội bào: trạng thái tế bào, thành phần chất dinh dưỡng. * Một số điểm cần lưu ý khi sử dụng vi tảo trong nước thải có chứa kim loại nặng : + Như chúng ta đã biết, kích thước của vi tảo là khá nhỏ bé, do vậy việc thu hồi sinh khối là khá khó khăn. Để khắc phục điều này, người ta đã dùng kĩ thuật cố định tảo: sử dụng các loại chất mang khác nhau nhằm cố định tảo tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu hồi sinh khối dẫn đến dễ thu hồi kim loại nặng. + Trước khi xử lý kim loại nặng có sử dụng vi tảo thì nước thải phải được loại bỏ các chất độc có hại cho vi tảo. * Ưu nhược điểm của phương pháp vi tảo * Ưu điểm + Nhiều loại vi tảo có khả năng hấp thu kim loại cao, nồng độ kim loại bên trong tế bào gấp nhiều nghìn lần so với bên ngoài. + Diện tích bề mặt riêng lớn do vậy làm cho chúng rất hiệu quả trong việc loại trừ và tái thu hồi kim loại nặng trong nước thải. + Có khả năng thích nghi trong một khoảng pH và nhiệt độ rộng do vậy có thể xử lý kim loại nặng trong một khoảng pH rộng. + Có thể loại bỏ một cách chọn lọc các ion kim loại nặng có nồng độ thấp, trong nhiều trường hợp chỉ còn 1ppm. + Có khả năng xử lý nước thải có lưu lượng lớn với tốc độ nhanh. + Đơn giản, dễ vận hành, chi phí thấp. + Không gây ra các chất ô nhiễm thứ cấp. + Trong quá trình sinh hóa tảo còn thu nhận một lượng lớn CO2, giảm hiệu ứng nhà kính, sử dụng các chất dinh dưỡng hữu cơ trong nước thải làm giảm BOD trong nước. * Nhược điểm + Mỗi loại tảo chỉ có khả năng hấp thu một số kim loại nhất định do vậy khó có thể xử lý nước thải có chứa nhiều kim loại. + Vì phương pháp hiện nay còn mới nên chưa phát hiện ra được nhiều chủng tảo có khả năng xử lý kim loại nặng. + Khi sử dụng phương pháp vi tảo, như đã nêu ở trên do kích thước nhỏ của vi tảo dẫn đến khó thu hồi sinh khối do vậy cần phải có chất mang. Khâu này là khâu tốn kém nhất. + Nước thải chứa nhiều thành phần khác nhau, có thể có độc tính cao đối với vi tảo bởi vậy trước khi đưa nước thải vào xử lý bằng vi tảo thì cần phải xử lý sơ bộ trước để loại các chất có độc với vi tảo. Do vậy phương pháp sử dụng vi tảo nói riêng và phương pháp sinh học nói chung chỉ tham gia được vào giai đoạn xử lý cấp II và cấp III. II.1.3.Triển vọng ứng dụng của phương pháp hấp thu sinh học trong ứng dụng vào xử lý kim loại nặng Phương pháp hấp thu sinh học là một phương pháp rất mới mẻ đặc biệt là ở Việt Nam, phương pháp này hứa hẹn nhiều tiềm năng trong việc xử lý kim loại nặng. Đây là một lĩnh vực hội tụ nhiều bộ môn khoa học như sinh lý, sinh hóa thực vật, nông hóa thổ nhưỡng, canh tác nông nghiệp, vi sinh vật học và di truyền học. Phương pháp này có những ưu thế như: + Rẻ tiền, vật liệu dễ kiếm + Đơn giản, chi phí vận hành thấp + Có khả năng xử lý kim loại nặng với hiệu quả cao + Có tính chọn lọc cao + Giảm độ phì dưỡng của nước thải + Sử dụng CO2 trong quá trình sinh hóa, do vậy có thể giảm hiệu ứng nhà kính. + Có thể tạo cảnh quan môi trường xung quanh đối với một số loài thực vật như cây hoa loa kèn, hoa huệ. Ngoài những ưu thế nói trên tuy nhiên phương pháp này còn gặp rất nhiều thách thức khó khăn: + Mỗi loài sinh vật chỉ có khả năng hấp thu một số kim loại nhất định + Phương pháp sinh học thường chỉ phù hợp đối với giai đoạn xử lý cấp II và cấp III + Đối với một số loài thực vật thủy sinh đòi hỏi một không gian xử lý rộng II.2. Phương pháp chuyển hóa sinh học Cũng như các phương pháp sinh học khác, phương pháp xử lý kim loại nặng bằng chuyển hóa sinh học đang còn khá mới mẻ đặc biệt là ở Việt Nam. Hiện nay ở Việt Nam hầu như chưa có công trình nghiên cứu nào nghiên cứu về khả năng xử lý kim loại nặng bằng chuyển hóa sinh học. Trên thế giới phương pháp này đã được quan tâm từ cách đây khá lâu và cũng đạt được một số kết quả nhất định. Nhiều chủng vi sinh vật và các enzym đã được phát hiện là có khả năng chuyển hóa các kim loại nặng về dạng ít độc hại hơn. Tuy nhiên phương pháp này có khó khăn lớn là hầu hết các chủng vi sinh vật và enzym được phát hiện là có khả năng chuyển hóa kim loại nặng thì ít khi được công bố, do vậy việc áp dụng của phương pháp này vào thực tế còn hạn chế. Xử lý kim loại nặng bằng phương pháp chuyển hóa sinh học có thể theo 2 cách sau: + Các vi sinh vật (enzym) trực tiếp chuyển hóa các kim loại nặng ở dạng độc về dạng ít độc hơn hoặc không độc. + Nguời ta có thể sử dụng gián tiếp bằng cách chuyển hóa một chất khác (không phải kim loại) về dạng có thể kết hợp với kim loại nặng để tạo ra chất ít độc hơn hoặc dễ xử lí hơn. Ví dụ: người ta có thể sử dụng các vi khuẩn và enzym để chuyển hóa các hợp chất chứa lưu huỳnh về S2-, sau đó các kim loại có thể kết hợp với S2- tạo thành các chất kết tủa. II.2.1. Phương pháp chuyển hóa kim loại nặng bằng phương pháp chuyển hóa trực tiếp Các kim loại nặng thường chuyển hóa các kim loại nặng bằng cách sử dụng các enzym có chức năng oxi hóa hoặc khử để chuyển hóa kim loại về dạng ít độc hơn. Ví dụ sử dụng vi khuẩn pseudomonas để khử ion Hg2+ có độc tính về dạng Hgo không độc. Nhiều kim loại nặng cũng được xử lý bằng cách này như Fe(III), Mn(IV), Cr(VI), Se (VI), As(V). II.2.2. Phương pháp chuyển hóa sinh học gián tiếp để xử lý kim loại nặng Phương pháp chuyển hóa sinh học gián tiếp để xử lý kim loại nặng là sử dụng các vi sinh vật (enzym) để chuyển hóa các chất hóa học thành một dạng có thể kết hợp được với các kim loại nặng để tạo kết tủa. Một trong các chất thường hay được sử dụng trong cách xử lý này là sunfat (SO42- ). Bằng cách sử dụng vi khuẩn chuyển hóa SO42- để chuyển hóa về dạng S2-, và từ đó các kim loại nặng sẽ kết hợp với S2- tạo kết tủa. Tương tự như vậy, người ta sử dụng các vi khuẩn chuyển hóa photphat, chuyển hóa các hợp chất photpho hữu cơ về dạng photphat (PO43-). Ví dụ như vi khuẩn Citrobacter tổng hợp Photphat từ glycerol 2- photphat. Ngoài hai cách trên, người ta còn sử dụng kết hợp cả hai phương pháp để xử lý kim loại nặng. Ban đầu sẽ dùng các chủng vi khuẩn để chuyển hóa các chất ở dạng độc ví dụ như Cr6+ về dạng ít độc hơn Cr3+, sau đó dùng chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa tổng hợp photphat hay sunfit (có thể là chính chủng ban đầu). II.2.3. Ưu nhược điểm của phương pháp * Ưu điểm: + Vì vi khuẩn, enzym là rất đa dạng và phong phú do vậy phương pháp xử lý kim loại nặng bằng phương pháp chuyển hóa sinh học là rất hứa hẹn. + Thân thiện với môi trường + Nếu dùng cách chuyển hóa gián tiếp có thể xử lý chất thải ô nhiễm sunfat + Xử lý tốt đối với một số kim loại. * Nhược điểm: + Vì các chủng vi khuẩn là những thực thể hữu cơ sống do vậy phải cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng cho chúng. + Dễ bị ảnh hưởng của môi trường, do vậy dễ bị nhiễm độc đối với một số chất có chứa trong nước thải do vậy phương pháp này cũng chỉ sử dụng được ở giai đoạn 2 hoặc 3. + Mỗi loại enzym hay vi khuẩn chỉ có thể xử lý đối với 1 hoặc 1 số kim loại nhất định. + Chỉ xử lý được các kim loại khi chúng ở nồng độ tương đối nhỏ. II.3. Phương pháp sử dụng lau sậy Phương pháp sử dụng lau sậy để xử lý nước thải chứa kim loại nặng là một hướng đi mới. Phương pháp này đã được nghiên cứu ở Việt Nam thông qua một số công trình khoa học và đã thu được những kết quả lạc quan. Thực ra phương pháp lau sậy đã được nghiên cứu từ lâu trên thế giới (bắt đầu khoảng vào thập kỷ 70 tại Châu Âu) trong các công trình tìm kiếm những thực vật thủy sinh đầm lầy có khả năng xử lý kim loại nặng. Phương pháp sử dụng lau sậy để xử lý nước thải có chứa kim loại nặng là một phương pháp đầy triển vọng bởi lau sậy có thể phát triển rất nhanh và ngay cả dưới nhiệt độ khắc nghiệt như khi nó bị chôn vùi trong tuyết. II.3.1. Cơ chế của phương pháp sử dụng lau sậy Cơ chế xử lý kim loại nặng bằng phương pháp sử dụng bãi lau sậy là rất phức tạp, nó bao gồm nhiều cơ chế khác nhau. Nhưng tựu chung lại có thể tóm tắt như sau: nó dựa trên sự tác động đồng thời của bộ rễ, cây và hệ sinh vật có trong đất. Bộ rễ cây sẽ cung cấp ôxi cho các vi sinh vật sống trong đất hoạt động ôxi hóa phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước và các kim loại nặng một phần sẽ đi vào cơ thể của các loài vi sinh vật, các loài sinh vật này có thể sử dụng các kim loại nặng này như một chất dinh dưỡng hoặc có thể chỉ là hấp thu vào cơ thể chúng, một phần khác sẽ được rễ thân của cây lau sậy hấp thu. Ngoài ra thân cây và bộ rễ của các cây lau sậy kết hợp thành một lớp đệm đóng vài trò như một lớp lọc, khi nước thải đi qua lớp đệm này nó sẽ được lọc sạch các chất cặn lơ lửng. Bộ rễ của lau sậy rất phát triển do vậy nhờ bộ rễ này mà khả năng hấp thu các chất dưỡng của lau sậy rất lớn, nhờ đó khả năng làm sạch nước thải khi sử dụng lau sậy là tương đối cao. II.3.2. Ưu nhược điểm của phương pháp sử dụng lau sậy * Ưu điểm +Giống như các phương pháp sinh học khác thì phương pháp sử dụng lau sậy có ưu điểm là thân thiện với môi trường. +Việc thiết kế hệ thống bãi lau sậy hợp lý sẽ tạo ra một môi trường tốt cho các loài chim cư trú, tạo một khu vực xanh cho nhà máy. +Chi phí thực hiện thấp, không phải sử dụng điện năng hoặc hóa chất. +Hệ thống này không sản sinh ra mùi hôi và tiếng ồn. +Xử lý kim loại nặng hiệu quả. +Có thể xử lý nước thải có lưu lượng lớn. * Nhược điểm + Yêu cầu diện tích xử lý lớn, do vậy không phù hợp với đối với các nhà máy nhỏ. II.3.3. Triển vọng ứng dụng phương pháp lau sậy ở Việt Nam Triển vọng ứng dụng phương pháp lau sậy ở Việt Nam là rất lớn. Với ưu thế là có điều kiện khí hậu và địa hình phù hợp để lau sậy có khả năng phát triển mạnh. Như đã nêu ở trên thì phương pháp này tương đối hiệu quả mà chi phí thực hiện lại thấp, đây là một điểm quan trọng đối với một nước đang phát triển và còn nghèo như Việt Nam chúng ta. Hơn nữa phương pháp này còn rất thân thiện với môi trường có thể tạo ra một môi trường xanh xung quanh các nhà máy, nhờ đó làm môi trường không những của nhà máy mà còn cả các vùng lân cận xung quanh nhà máy trong sạch hơn. Với tình hình hiện nay đối với các nhà máy có mặt bằng rộng, khi xử lý nước thải nói chung và nước thải chứa kim loại nặng nói riêng thường phải sử dụng những phương pháp hóa lý vừa đắt tiền lại vừa phải xử lý các chất thải thứ cấp sinh ra sau quá trình xử lý, do vậy phương pháp lau sậy là một phương pháp thay thế khá hiệu quả và thích hợp. CHƯƠNG III : PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION III.1. Phương pháp hấp phụ Hấp phụ là quá trình hút khí bay hơi hoặc chất hòa tan trong chất lỏng lên bề mặt chất rắn xốp gọi là quá trình hấp phụ. Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong xử lý nước thải nói chung và nước thải chứa kim loại nặng nói riêng. Phương pháp hấp phụ được sử dụng khi xử lý nước thải chứa các hàm lượng chất độc hại không cao. Quá trình hấp phụ kim loại nặng xảy ra giữa bề mặt lỏng của dung dịch chứa kim loại nặng và bề mặt rắn. Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều loại vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng như: than hoạt tính, than bùn, các loại vật liệu vô cơ như oxit sắt, oxit mangan, tro bay, xỉ than, bằng các vật liệu polyme hóa học hay polyme sinh học. III.1.1. Cơ chế quá trình hấp phụ Trong hấp phụ thường diễn ra 2 kiểu hấp phụ: + Hấp phụ vật lý: được thực hiện bởi các tương tác yếu và thuận nghịch giữa các phân tử và các tâm hấp phụ trên bề mặt than hoạt tính. + Hấp phụ hóa học: được thực hiện bởi các liên kết hóa học. Quá trình hấp phụ vật lý đối với chất hấp phụ và các ion kim loại nặng trong nước thường xảy ra nhờ lực hút tĩnh điện giữa các ion kim loại này với các tâm hấp phụ. Mối liên kết này thường là yếu và không bền. Tuy nhiên chính vì yếu do vậy quá trình giải hấp phụ để hoàn nguyên vật liệu hấp phụ và thu hồi các kim loại diễn ra thuận lợi. Quá trình hấp phụ hóa học xảy ra nhờ các phản ứng tạo liên kết hóa học giữa ion kim loại nặng và các nhóm chức của tâm hấp phụ, thường là các ion kim loại nặng phản ứng tạo phức đối với các nhóm chức trong chất hấp phụ. Mối liên kết này thường là rất bền và khó bị phá vỡ, do vậy rất khó cho quá trình giải hấp phụ. Sau khi thực hiện hấp phụ để xử lý các chất độc trong nước nói chung và kim loại nặng nói riêng thì người ta thường tiến hành nhả hấp phụ để hoàn nguyên, tái sinh (đối với các loại vật liệu hấp phụ có giá trị, và nhất thiết phải có kích thước đủ lớn để có thể hoàn nguyên được) chất hấp phụ và trong nhiều trường hợp có thể thu hồi những cấu tử quý. Tái sinh chất hấp phụ: Khi chất hấp phụ đã bão hòa người ta tiến hành nhả hấp thụ để tái sinh vật liệu hấp phụ và đôi khi có thể thu hồi các chất có giá trị. * Tái sinh bằng phương pháp vật lý: + Nhờ nhiệt độ: người ta thường dùng hơi nước bão hòa hay hơi quá nhiệt, hoặc bằng khí trơ nóng. + Nhờ phương pháp trích ly (nhả pha lỏng) bằng các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp và dễ chưng bằng hơi nước như metanol, benzen, toluen... * Tái sinh bằng phương pháp hóa học: Trong một số trường hợp, trước khi tái sinh các chất bị hấp phụ được chuyển hóa hóa học thành dạng dễ tách từ chất hấp phụ hơn. Tái sinh bằng phương pháp hóa học thường phải phá vỡ cấu trúc của chất bị hấp phụ đôi khi là cả chất hấp phụ. III.1.2. Giới thiệu một số chất hấp phụ kim loại nặng Hiện nay người ta đã phát hiện ra nhiều chất hấp phụ có khả năng hấp phụ kim loại nặng. Các chất hấp phụ này có nguồn gốc rất đa dạng nó có thể là những hợp chất vô cơ, vật liệu bắt nguồn từ sinh học... Chất hấp phụ là những vật liệu rắn dạng hạt có cấu trúc rất xốp và diện tích bề mặt riêng lớn. Một chất hấp phụ được đặc trưng bởi các thông số: Thành phần hóa học, cấu trúc xốp, diện tích bề mặt, nhóm chức bề mặt . Các vật liệu có nguồn gốc vô cơ + Chất hấp phụ oxit sắt: Chất hấp phụ oxit sắt có công thức hóa học là Fe2O3. Đối với Oxit sắt ở dạng bột mịn, cỡ hạt vào khoảng nhỏ hơn 100mm, người ta đã đo được bằng phương pháp BET diện tích bề mặt của nó là 3,07 m2/g. Một điểm thuận lợi khi sử dụng Fe2O3 là chất này chính là chất thải của quá trình đốt quặng pyrit (FeS) là chất thải của công ty Super phôtphát Lâm Thao. Do vậy nếu Fe2O3 được sử dụng làm chất hấp phụ sẽ giải quyết được phần nào chất thải rắn được tích tụ lại trong nhà máy. + Chất hấp phụ tro bay, xỉ than: Trong quá trình đốt than, một lượng bụi mịn bay lên và tích tụ lại ở trong ống khói được gọi là tro còn phần than bị thiêu kết và nằm lại phía dưới (đáy lò) gọi là xỉ than. Do vậy tro bay và xỉ than chính là thành phần tro của than đá. Diện tích bề mặt đo được theo phương pháp BET là 5,39 m2/g đối với xỉ than, còn đối với tro bay là 10,15 m2/g. + Chất hấp phụ dioxit Mangan: có công thức hóa học là MnO2. Lượng quặng Mangan ở nước ta có trữ lượng khá cao và có loại quặng hàm lượng Mangan đạt tới 76%. Các chất polyme : Người ta sử dụng nhiều chất polyme làm chất hấp phụ. Các chất polyme thường có các nhóm chức có khả năng hút hoặc giữ các kim loại vào trong thành phần liên kết. Chất hấp phụ sinh học: chất hấp phụ sinh học là những chất có bắt nguồn từ sinh học do vậy nó rất đa dạng và phong phú. Các chất sinh học được sử dụng để làm chất hấp phụ sinh học thường là các polyme sinh học. III.1.3. Ưu nhược điểm của phương pháp hấp phụ *Ưu điểm + Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp + Đơn giản, dễ sử dụng + Có thể tận dụng một số vật liệu là chất thải của các nghành khác như Fe2O3 + Có thể nhả hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ *Nhược điểm + Thường chỉ áp dụng cho xử lý kim loại nặng ở nồng độ thấp + Chi phí xử lý vẫn còn cao III.2. Phương pháp trao đổi ion Phương pháp trao đổi ion là một trong những phương pháp phổ biến để xử lý các ion kim loại nặng trong nước thải như Ni2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+... Phương pháp này khá hiệu quả trong việc xử lý kim loại nặng đặc biệt là có thể thu hồi hiệu quả một số kim loại có giá trị. Quá trình trao đổi ion diễn ra giữa 2 pha lỏng- rắn, giữa các ion có trong dung dịch và các ion có trong pha rắn. III.2.1. Cơ chế của phương pháp trao đổi ion Thực chất phương pháp trao đổi ion cũng là một phần của phương pháp hấp phụ, nhưng là quá trình hấp phụ có kèm theo trao đổi ion giữa chất hấp phụ với ion của dung dịch. Có thể nói trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước. * Cơ chế trao đổi ion: Trao đổi cation RA + B+ = RB + A+ Đối với trao đổi kim loại thì B+ là các ion kim loại như: Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+... Trao đổi anion RA + B- = RB + A- Đối với trao đổi kim loại nặng thì B- có thể là : Cr2O72- , MoO42- .... Khi kim loại nặng tiếp xúc với chất trao đổi ion thì sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion giữa dung dịch và chất trao đổi ion. Có thể mô tả động học của quá trình trao đổi ion qua các quá trình như sau: + Khuyếch tán ion kim loại từ dung dịch tới lớp màng bao quanh hạt trao đổi ion. + Khuyếch tán các ion qua lớp màng + Khuyếch tán các ion tới vị trí trao đổi ion + Quá trình trao đổi ion + Khuyếch tán của các ion được giải phóng từ vị trí trao đổi ion đến bề mặt hạt. + Khuyếch tán các ion được giải phóng qua màng + Khuyếch tán các ion đó vào dung dịch Quá trình động học của một quá trình được quyết định bởi bước chậm nhất. Trong hầu hết các quá trình thì quá trình phản ứng trao đổi ion là quá trình nhanh nhất. Nói chung là chỉ có hai quá trình ảnh hưởng mạnh mẽ đến động học trao đổi ion là: + Khuyếch tán ion qua màng + Khuếch tán ion vào hạt trao đổi ion. Các chất có khả năng hút và trao đổi ion dương từ dung dịch điện ly gọi là cationit. Những chất này mang tính axit. - Các chất có khả năng hút các ion âm gọi là anionit và chúng có tính kiềm. - Các ionit mà có khả năng trao đổi cả ion dương lẫn ion âm thì gọi là ionit lưỡng tính. Khả năng trao đổi ion của một chất trao đổi ion được đặc trưng bởi dung lượng thể tích, là dung lượng được đo bằng số ion được hút bởi một đơn vị thể tích hay khối lượng. Dung lượng thể tích tổng được đặc trưng bởi nồng độ của các ion cố định không tham gia trao đổi ion (có điện tích ngược với ion trao đổi) trong chất trao đổi ion. Dung lượng thể tích tổng mô tả lượng tối đa các ion có thể trao đổi được khi các ion cố định được lấp đầy bởi các ion trao đổi. Nhưng trên thực tế thì hầu như là không có khả năng toàn bộ các ion trao đổi lấp đầy được. Và do vậy dung lượng trao đổi ion thực tế được gọi là dung lượng trao đổi ion thực. Nó phụ thuộc vào các điều kiện vật lý, phản ứng trao đổi, thiết bị sử dụng, khả năng tái sinh ... Dung lượng của chất trao đổi ion được tính bằng số mili đương lượng gam của ion kim loại được trao đổi bởi một mililít chất trao đổi ion (ionit) có đơn vị là meq/ml . Cũng giống như các kiểu hấp phụ khác thì trao đổi ion cũng có tái sinh. + Các cationit thì thường được tái sinh bằng các dung dịch axit có nồng độ từ 2-8%. Sau đó các cation sẽ được nạp điện tích bằng các muối ăn (NaCl) và lúc này các ion Na+ sẽ vào chiếm chỗ, đẩy các ion H+ vào dung dịch. + Các anionit thì được tái sinh bằng dung dịch kiềm, và sau đó cũng được nạp điện tích bằng muối ăn NaCl, lúc đó các ion Cl- sẽ thay thế các ion OH- đẩy các ion OH- vào dung dịch. III.2.2. Giới thiệu một số chất trao đổi ion : Các chất trao đổi ion rất phong phú và đa dạng, tùy vào yêu cầu xử lý và điều kiện sử dụng mà người ta có thể lựa chọn các loại chất trao đổi khác nhau. Nói chung, người ta phân ra 2 loại chất trao đổi ion là: 1) Các ionit có nguồn gốc vô cơ + Tự nhiên: Các loại zeolit (thường là người ta sử dụng zeolit A và X) có công thức dưới dạng Na2O. Al2O3. nSiO2.mH2O, các kim loại khoáng, đất sét, fenspat, các chất mica khác nhau ... + Tổng hợp: Silicagen, pecmutit, các oxit khó tanvà hiđroxit của một số kim loại như crôm, nhôm, ziriconi... 2) Các ionit có nguồn gốc hữu cơ + Tự nhiên: gồm axit humic của đất mùn và than đá, chúng mang tính axit yếu, để tăng tính axit và dung lượng trao đổi người ta nghiền nhỏ than và lưu hóa ở điều kiện dư oleum. Than sunfo là các chất điện ly cao phân tử rẻ và chứa cả các nhóm axit mạnh và axit yếu. Cá