Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải công nghiệp

  1. Khái niệm về kim loại nặng
Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3. Chúng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thủy quyển (các muối hòa tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng, v.v…) và sinh quyển (trong cơ thể con người, động thực vật).
  1. Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước
Có rất nhiều phương pháp để xử lý kim loại nặng trong nước như phương pháp hóa học, hóa lý hay sinh học. Tại các nhà máy nước thải có chứa hàm lượng kim loại nặng vượt quá tiêu chuẩn cho phép rất cần phải xử lý trước khi thải ra môi trường. Các phương pháp xử lý kim loại nặng có thể được sử dụng như sau:
    1. Phương pháp kết tủa hóa học
  1. Cơ chế của phương pháp
Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào nước thải với các kim loại cần tách, ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách ra khỏi nước bằng phương pháp lắng.
Phương pháp thường được dùng là kết tủa kim loại dưới dạng hydroxit bằng cách trung hòa đơn giản các chất thải axit. Độ pH kết tủa cực đại của tất cả các kim loại không trùng nhau, ta tìm một vùng pH tối ưu, giá trị từ 7 – 10,5 tùy theo giá trị cực tiểu cần tìm để loại bỏ kim loại mà không gây độc hại. Phương trình tạo kết tủa.
Mn+ + Am- = MmAn
  1. Ưu nhược điểm của phương pháp:
  • Ưu điểm
+ Đơn giản, dễ sử dụng;
+ Rẻ tiền, nguyên vật liệu dễ kiếm;
+ Xử lý được cùng lúc nhiều kim loại, hiệu quả xử lý cao;
+ 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 chứa kim loại lưỡng tính Zn.


Nếu trong nước thải có nhiều kim loại nặng thì càng thuận tiện cho quá trình kết tủa vì ở giá trị pH nhất định độ hòa tan của kim loại trong dung dịch có mặt các kim loại sẽ giảm, cơ sở có thể do một hay đồng thời cả 3 nguyên nhân sau:
  • Tạo thành chất cùng kết tủa;
  • Hấp thụ các hydroxit khó kết tủa vào bề mặt của các bong hydroxit dễ kết tủa;
  • Tạo thành hệ nghèo năng lượng trong mạng hydroxit do chúng bị phá hủy mạnh bằng các ion kim loại.
    1. Phương pháp hấp phụ
  1. Cơ chế của phương pháp
  • Hấp phụ là quá trình hút khí bay hơi hoặc chất hòa tan trong chất thải lỏng lên bề mặt xốp. Vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng như: Than hoạt tính, than bùn, vật liệu vô cơ như oxit sắt, oxit mangan, tro xỉ, bằng các vật liệu polymer hóa học hay polymer sinh học.
  • Cơ chế của quá trình hấp phụ
Trong hấp phụ thường diễn ra 2 kiểu hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
+ Hấp phụ vật lý: Là sự tương tác yếu và thuận nghịch nhờ lực hút tĩnh điện giữa các ion kim loại và các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ. Các mối liên kết này yếu do vậy thuận lợi cho quá trình nhả hấp phụ và thu hồi kim loại quý.
+ Hấp phụ hóa học: Là quá trình xảy ra 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 rất bền và khó bị phá vỡ.
+ Sau khi thực hiện hấp phụ để xử lý 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.
b. Ưu nhược điểm của phương pháp
- 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 ngành khác như Fe2O3;
+ Có thể nhả hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ.
  • Nhược điểm
+ Chi phí áp dụng cho xử lý kim loại nặng ở nồng độ thấp;
+ Chi phí xử lý cao.
    1. Phương pháp trao đổi ion
  1. Cơ chế của phương pháp
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 hòa tan. Các ion dương hay âm cố định trên các gốc này đẩy ion cùng dấu có trong dung dịch thay đổi số lượng tải toàn bộ có trong chất lỏng trước khi trao đổi. Cơ chế phản ứng như sau:
AmB + mC = mAC + B
  • 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.
  • Khuếch tán các ion qua lớp ngoài;
  • Chuyển ion đã khuếch tán qua biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi;
  • Khuếch 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;
  • Khuếch tán các ion B bên trong hạt trao đổi tới biên giới phân pha;
  • Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màng chất lỏng;
  • Khuếch tán các ion B qua màng;
  • Khuếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng.
b. Ưu nhược điểm của phương pháp trao đổi ion
- Ưu điểm
+ Khả năng trao đổi ion lớn, hiệu quả xử lý kim loại cao
+ Đơn giản, dễ sử dụng
+ Không gian xử lý nhỏ
+ Có khả năng thu hồi kim loại có giá trị, không tạo ra chất thải thứ cấp.
  • Nhược điểm
+ Chi phí xử lý cao do đó không phù hợp với các nhà máy có quy mô lớn
    1. Phương pháp điện hóa
  1. Cơ chế của phương pháp
Tách kim loại bằng cách nhúng các điện cực trong nước thải có chứa kim loại nặng cho dòng điện  1 chiều chạy qua. Ứng dụng sự chênh lệch điện thế giữa hai điện cực kéo dài vào bình điện phân để tạo một dòng điện định hướng. Các cation chuyển dịch về phía catot. Anion chuyển về phía anot. Khi điện áp đủ lớn sẽ xảy ra phản ứng ở điện cực như sau:
Ở Anot: Trên anot xảy ra quá trình oxi hóa anion hoặc OH- hoặc chất làm anot. Quá trình xảy ra như sau: Mr  - ne = Mn+
Ớ Catot: Khi cho dòng điện đi qua dung dịch thì cation và H+ sẽ tiến về bề mặt catot. Khi thế phóng điện của cation lớn hơn của H+ thì cation sẽ thu electron của catot chuyển thành các ion ít độc hơn hoặc tạo thành kim loại bám vào điện cực. Phản ứng xảy ra như sau: Mn+  +  me   = M n-m (n>m);   Mn+    +  ne   =   Mr
b. Ưu, nhược điểm:
- Ưu điểm
+ Đơn giản, dễ sử dụng;
+ Không sử dụng hóa chất.
  • Nhược điểm
+ Tiêu hao năng lượng lớn. Chi phí xử lý cao;
+ Chỉ thích hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao;
+ Mặc dù hiệu suất xử lý đạt tới 90% hoặc hơn nhưng nồng độ kim loại trong nước thải vẫn còn cao.
    1. Phương pháp sinh học
  1. Cơ chế của phương pháp
Phương pháp sinh học là phương pháp sử dụng những vi sinh vật đặc trưng chỉ xuất hiện trong môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng và có khả năng tích lũy kim loại nặng trong cơ thể. Các vi sinh vật thường sử dụng như tảo,nấm, vi khuẩn, v.v.. Ngoài ra còn có một số loài thực vật sống trong môi trường ô nhiễm kim loại nặng có khả năng hấp thụ và tách các kim loại nặng độc hại như: Cỏ Vertiver, cải xoong, cây dương xỉ, cây thơm ổi, v.v.. Thực vật có nhiều phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường.
  • Cơ chế hấp thụ kim loại nặng ở vi khuẩn như sau:
Giai đoạn 1: Tích tụ các kim loại nặng và sinh khối, làm giảm nồng độ các kim loại này ở trong nước.
Giai đoạn 2: Sau quá trình phát triển ở mức tối đa sinh khối, vi sinh vật thường lắng xuống đáy bùn hoặc kết thành mảng nổi trên bề mặt và cần phải lọc hoặc thu sinh khối ra khỏi môi trường nước.
b. Ưu, nhược điểm:
- Ưu điểm
+ Thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao
+ Diện tích bề mặt riêng của sinh khối lớn
+ Giá thành thấp
- Nhược điểm
+ Diện tích mặt bằng rất lớn
+ Sinh khối phát sinh ra sẽ chứa toàn kim loại nặng khó xử lý.

Lê Liên tổng hợp

Bài viết liên quan: