Luận văn thạc sĩ đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải sản xuất của nhà máy cơ khí mạ đà nẵng bằng vật liệu từ tính y PGM

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

NGUYỄN THU PHƯƠNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG
TRONG NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỦA NHÀ MÁY
CƠ KHÍ – MẠ ĐÀ NẴNG BẰNG VẬT LIỆU TỪ TÍNH
-PGM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Đà Nẵng – Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

NGUYỄN THU PHƯƠNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG
TRONG NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỦA NHÀ MÁY
CƠ KHÍ – MẠ ĐÀ NẴNG BẰNG VẬT LIỆU TỪ TÍNH
-PGM

Chuyên ngành : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Mã số
:
60.52.03.20

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ THỊ XUÂN THÙY

Đà Nẵng – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

NGUYỄN THU PHƯƠNG


ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỦA NHÀ MÁY CƠ KHÍ
– MẠ ĐÀ NẴNG BẰNG VẬT LIỆU TỪ TÍNH -PGM
Học viên: NGUYỄN THU PHƯƠNG. Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
Mã số: 60.52.03.20. Khóa: K31. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Với đặc thù sản xuất của mình, nước thải nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng chứa một
hàm lượng rất lớn các kim loại nặng như sắt (Fe), kẽm (Zn) và crom (Cr), bên cạnh đó còn có
một lượng nhỏ các kim loại như chì (Pb) và cadimi (Cd). Tuy nhiên, phương pháp được dùng
để xử lý kim loại nặng tại nhà máy hiện nay cho hiệu quả không cao và chi phí xử lý lớn. Hạt
từ tính -PGM (-poly glutamic acid coated magnetic nanoparticles) là loại vật liệu có thể khắc
phục các nhược điểm của phương pháp xử lý của nhà máy. Vật liệu từ tính -PGM được cấu
tạo bởi hai thành phần chính là hạt từ tính Fe3O4 và -poly glutamic acid (-PGA) – là một
polymer sinh học có khả năng xử lý nước thải kim loại nặng, không độc hại, hiệu suất xử lý
cao, nhanh chóng và có khả năng tái sử dụng vật liệu được nhiều lần.

Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả xử lý Zn2+ và Fe2+ đạt 55,07 % và 97,32 %
tương ứng với 10 g/L -PGM trong 30 phút, ở môi trường pH 6; và hiệu suất xử lý Cr 6+ đạt
hiệu suất 85,03 % ở môi trường pH 3. Mô hình từ tính được vận hành thử nghiệm và cũng đạt
được kết quả tương tự, với nồng độ Fe giảm …. %, nồng độ Zn giảm …. % và nồng độ Cr
giảm …. % sau 2 bậc xử lý.
Từ khóa – Kim loại nặng, sắt, kẽm, crom, vật liệu từ tính -PGM.
EFFECTIVE REMOVAL OF HEAVY METAL FROM INDUSTRIAL
WASTEWATER OF DA NANG MECHANICS COMPANY BY POLY (GLUTAMIC ACID) – COATED MAGNETIC NANOPARTICLES (-PGM)
Abstract – With its production characteristics, the wastewater of Da Nang Mechanics Factory
contains very high amount of heavy metals such as Iron (Fe), Zinc (Zn) and Chromium (Cr),
besides it have small amount of heavy metals such as Lead (Pb) and Cadmium (Cd). However,
the method removal heavy metal of company was not very effective and has high cost. Poly
(-glutamic acid) – coated magnetic nanoparticles (-PGM) is a material that can overcome
the disadvantages methods of company. It was structured by 2 composition as magnetic Fe3O4
and -poly glutamic acid (-PGA) – is a bio-polymer has ability to removal heavy metal from
wastewater, non-toxic, high processing efficiency, fastly and reuse many times.
This study investigated and confirmed that efficiency of removal Zn2+ and Fe2+ reached
55,07 % and 97,32 % to correspond with 10 g/L -PGM in 30 minutes at pH 6; and efficiency
of removal Cr6+ reached 85,03 % at pH 3. Model of magnetic was to run test and reached
similar result, with concentration of Fe, Zn and Cr are reduce ….%, …% and ….% after 2
times removal.
Key words – Heavy metals, iron, zinc, chromium, magnetic nanoparticles -PGM.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................. 2

5. Bố cục đề tài..........................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................3
1.1. Tổng quan về kim loại nặng......................................................................................3
1.1.1. Kim loại nặng .................................................................................................3
1.1.2. Sắt (Fe) ...........................................................................................................5
1.1.3. Kẽm (Zn) ........................................................................................................6
1.1.4. Crom (Cr) .......................................................................................................7
1.2. Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước ..................................................7
1.2.1. Phương pháp đông tụ và keo tụ ......................................................................7
1.2.2. Phương pháp tuyển nổi ...................................................................................9
1.2.3. Phương pháp hấp phụ ...................................................................................10
1.2.4. Phương pháp kết tủa hoá học........................................................................11
1.2.5. Phương pháp trao đổi ion .............................................................................12
1.2.6. Phương pháp điện hóa ..................................................................................13
1.2.7. Phương pháp oxy hóa – khử .........................................................................14
1.2.8. Phương pháp đồng kết tủa ............................................................................15
1.2.9. Phương pháp sinh học ..................................................................................15
1.3. Tổng quan về hạt γ-PGM ........................................................................................16
1.3.1. Gamma poly glutamic acid (γ-PGA) ............................................................ 16
1.3.2. Hạt từ tính (Fe3O4) ........................................................................................16
1.3.3. Hạt từ tính Fe3O4 phủ gamma poly glutamic acid (γ-PGM) ........................17
1.4. Tổng quan về nhà máy Cơ khí - Mạ Đà Nẵng ........................................................18
1.4.1. Quy mô hoạt động của cơ sở ........................................................................18
1.4.2. Công nghệ sản xuất/ vận hành ......................................................................20
1.4.3. Quy trình xử lý nước thải của nhà máy .......................................................23
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .26
2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................. 26
2.1.1. Nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng .............................. 26
2.1.2. Vật liệu từ tính γ-PGM .................................................................................27

2.2. Vật liệu và thiết bị nghiên cứu ...............................................................................28
2.2.1. Hóa chất ........................................................................................................28
2.2.2. Dụng cụ và thiết bị........................................................................................28
2.3. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 30
2.4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................31
2.4.1. Phương pháp lấy mẫu hiện trường ............................................................... 31
2.4.2. Phương pháp phân tích hóa học....................................................................32
2.3.3. Phương pháp thực nghiệm ............................................................................34
2.3.4. Phương pháp tổng hợp xử lý số liệu ............................................................. 34
2.3.5. Mô hình từ tính ............................................................................................. 35
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................38
3.1. Kết quả khảo sát khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải sản xuất của
nhà máy bằng vật liệu từ tính -PGM............................................................................38
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý của -PGM .......................38
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng xử lý của -PGM..............42
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của lượng -PGM đến khả năng xử lý .........................45
3.2. Đề xuất mô hình xử lý kim loại nặng trong nước thải sản xuất sử dụng vật liệu
từ tính -PGM tại nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng ........................................................48
3.2.1. Vận hành mô hình tách từ tính ......................................................................48
3.2.2. Kết quả vận hành mô hình tách từ tính .........................................................51
3.2.3. Thiết kế, tính toán dây chuyền công nghệ xử lý nước thải nhà máy Cơ
khí – Mạ Đà Nẵng .........................................................................................................53
3.2.4. So sánh dây chuyền công nghệ xử lý nước thải nhà máy Cơ khí – Mạ Đà
Nẵng hiện tại và dây chuyền sử dụng phương pháp mới ..............................................60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................61
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................63
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)
PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
Cr
Fe
Zn

Crom
Sắt
Kẽm

Các chữ viết tắt:
ASS (Atomic Absorption Spectrometer): phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử
BTNMT : Bộ Tài nguyên và Môi trường
COD (Chemical oxygen demand): nhu cầu oxy hóa học
MTV : một thành viên
PAC (Poly Aluminium Chloride): phèn nhôm
QCVN: Quy chuẩn Việt Nam
STT: số thứ tự
TNHH: trách nhiệm hữu hạn
TSS (Total suspended solids): tổng chất rắn lơ lửng
-PGA (Gamma Poly Glutamic Acid)
-PGM (Gamma Poly glutamic acid coated magnetite nanoparticles)


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

bảng

Trang

1.1.

Chức năng của một số kim loại trong cơ thể người

4

1.2.

Giới hạn nồng độ kim loại nặng trong một số nguồn nước

5

2.1.

Lượng nước thải sản xuất phát sinh từ phân xưởng mạ

26

2.2.

Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sản xuất của nhà máy
Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

27

2.3.

Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

28

2.4.

Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu

29

2.5.

Thời gian lấy mẫu và thể tích nước thải

31

2.6.

Các phương pháp dùng trong phân tích mẫu kim loại nặng

34

2.7.

Vật liệu, thiết bị dùng trong mô hình xử lý nước thải

35

3.1.
3.2.
3.3.

Nồng độ các kim loại nặng sau khi xử lý bằng -PGM qua các
mẫu nước thải khi thay đổi pH
Nồng độ các kim loại nặng sau khi xử lý bằng -PGM qua các
mẫu nước thải thay đổi thời gian
Nồng độ các kim loại nặng sau khi xử lý qua các mẫu nước thải
thay đổi lượng -PGM

39
43
46

3.4.

Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rửa axit của nhà máy Cơ
khí – Mạ Đà Nẵng

48

3.5.

Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải thụ động của nhà máy
Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

48

3.6.

Thông số vận hành mô hình đối với nước thải chứa Fe và Zn

49

3.7.

Thông số vận hành mô hình đối với nước thải chứa Cr

49

3.8.

Nồng độ kim loại nặng sau các giai đoạn xử lý bằng mô hình lọc
từ tính

51

3.9.

Nồng độ kim loại nặng Cr sau các bậc xử lý bằng mô hình lọc từ
tính

51

3.10.

So sánh khả năng xử lý của hai loại vật liệu -PGM và PAC

60

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

Một số kim loại nặng thuộc nhóm độc

3

1.2.

Một số thảm họa nhiễm độc kim loại nặng

4

1.3.

Kim loại sắt (Fe)

5

1.4.

Kim loại kẽm (Zn)

6

1.5.

Kim loại crom (Cr)

7

1.6.

Điện tích trên hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp

8

1.7.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ bằng phương pháp keo tụ

9

1.8.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ bằng phương pháp tuyển nổi

10

1.9.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ bằng phương pháp hấp phụ

11

1.10.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ bằng phương pháp kết tủa hóa học

12

1.11.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ bằng phương pháp trao đổi ion

13

1.12.

Cấu trúc hóa học của γ-PGA

16

1.13.

Cấu trúc hóa học của Fe3O4

18

1.14.

Sắt từ

17

1.15.

Cấu trúc của hạt γ-PGM

19

1.16.

Vật liệu γ-PGM

18

1.17.

Sơ đồ công nghệ chế tạo cấu kiện thép

20

1.18.

Quy trình công nghệ mạ kẽm

21

1.19.

Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống xử lý nước thải tập trung của
nhà máy

23

1.20.

Các công trình xử lý nước thải sản xuất nhà máy Cơ khí – Mạ Đà
Nẵng

25

2.1.

Bản đồ vị trí và hình ảnh về nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

18

2.2.

Lấy mẫu nước thải sau xử lý của nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

31

2.3.

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mô hình từ tính

37

3.1.

Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Fe của -PGM

39

3.2.

Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Zn của -PGM

40

3.3.

Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Cr của -PGM

41


Số hiệu

Tên hình

Trang

3.4.

Nước thải trước và sau khi khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả
năng xử lý Fe và Zn của -PGM

41

3.5.

Nước thải sau khi khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý
Cr của -PGM

42

3.6.

Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý Fe của -PGM

43

3.7.

Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý Zn của -PGM

44

3.8.

Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý Cr của -PGM

44

3.9.

Ảnh hưởng của lượng -PGM đến hiệu suất xử lý kim loại Fe

46

3.10.

Ảnh hưởng của lượng -PGM đến hiệu suất xử lý kim loại Zn

47

3.11.

Ảnh hưởng của lượng -PGM đến hiệu suất xử lý kim loại Cr

48

3.12.

Sơ đồ hoạt động của mô hình tách từ tính

50

3.13.

Mô hình tách từ tính

50

3.14.

Hiệu suất xử lý kim loại nặng Fe và Zn sau từng giai đoạn bằng

mô hình tách từ tính

51

3.15.

Hiệu suất xử lý kim loại nặng Cr trong nước thải sản xuất của nhà
máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng bằng mô hình tách từ tính

52

3.16.

Nước thải sau mô hình từ tính bậc 1

53

3.17.

Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải tại Nhà máy Cơ khí – Mạ
Đà Nẵng

54

3.18.

Bể điều hòa

55

3.19.

Bể phản ứng

56

3.20.

Hệ thống bể lắng

57

3.21.

Máng dẫn nước – nam châm

57

3.22.

Bể chứa nước trung gian

58

3.23.

Hệ thống lọc – hấp phụ

59

3.24.

Bể chứa nước sau xử lý

59

hình


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, nước ta đã đạt được nhiều thành tựu trong lĩnh vực
phát triển kinh tế – xã hội. Đặc biệt, ngành công nghiệp – xây dựng có tốc độ tăng trưởng
cao hơn nhiều so với các năm trước, đóng góp chủ yếu là các ngành công nghiệp như
chế biến, chế tạo tăng 10.6 % so với 2014 [2]. Tuy nhiên, việc phát triển của các ngành
công nghiệp này đã phát sinh ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người,
trong đó vấn đề ô nhiễm kim loại nặng từ nước thải sản xuất của các nhà máy phải được
kiểm soát chặt chẽ.
Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3 thường tồn
tại trong nước ở dạng ion. Một số kim loại nặng được xem là nguyên tố vi lượng cần
thiết đối với cơ thể sống, tham gia vào quá trình sinh trưởng và phát triển như canxi (Ca)
là thành phần chủ yếu của xương, biomembrane và yếu tố đông máu; hay sắt (Fe) là
thành phần của hemoglobin có chức năng vận chuyển và bảo quản oxy... [14]. Nhưng
khi hàm lượng vượt quá mức cho phép các kim loại nặng sẽ trở thành độc chất, gây tác
động không nhỏ đến sinh vật và môi trường, như: chì (Pb), crom (Cr), cadimi (Cd), đồng
(Cu), kẽm (Zn), sắt (Fe)... [13]
Đà Nẵng hiện nay có 6 khu công nghiệp với đa dạng các ngành nghề. Trong đó
khu công nghiệp Hòa Khánh có 210 doanh nghiệp [31], tập trung nhiều ngành công

nghiệp có thành phần nước thải chứa hàm lượng KLN cao như: chì (Pb), cadimi (Cd),
asen (As), niken (Ni), kẽm (Zn), thủy ngân (Hg),... Nước thải sau quy trình sản xuất chỉ
được xử lý sơ bộ bằng các phương pháp hóa lý như keo tụ, kết tủa hóa học, điện hóa,
trao đổi ion, hấp phụ, ... [13] nồng độ các chất vẫn chưa đạt tiêu chuẩn cho phép và được
đưa về trạm xử lý nước thải tập trung của khu công nghiệp Hòa Khánh để tiếp tục xử lý
trước khi xả thải ra nguồn tiếp nhận.
Nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng hiện nay đang áp dụng dây chuyền xử lý nước thải
bằng phương pháp keo tụ [4]. Đây là phương pháp đơn giản, dễ sử dụng, xử lý cùng lúc
nhiều kim loại, thời gian xử lý ngắn và hiệu quả cao, nhưng với nồng độ kim loại nặng
trong nước thải xi mạ quá cao thì phương pháp này không còn phù hợp để xử lý triệt để
các chất ô nhiễm trong nước thải. Do đó, giải pháp mới để xử lý nước thải sản xuất của
nhà máy được đặt ra cần phải đảm bảo các yêu cầu xả thải theo quy định của nhà nước,
đồng thời phải đạt hiệu suất xử lý cao, đơn giản và nhanh chóng. Vì vậy, phương pháp
xử lý kim loại nặng bằng vật liệu từ tính γ-PGM là một giải pháp đáng được cân nhắc
xem xét và lựa chọn. Bởi lẽ, vật liệu từ tính γ-PGM được tạo thành từ hai thành phần
chính là -PGA và Fe3O4, là loại vật liệu đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên
cứu và chứng minh là có hiệu quả xử lý kim loại nặng, mang từ tính nên dễ thu hồi và
có khả năng tái sử dụng nhiều lần, giúp giảm chi phí xử lý nước thải và thân thiện môi
trường [14, 28].
Xuất phát từ những yêu cầu khoa học và tình hình thực tiễn, tôi đề xuất lựa chọn
đề tài : “Đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải sản xuất của nhà
máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng bằng vật liệu từ tính - PGM” làm luận văn tốt nghiệp của
mình.


2
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu tổng quát
Khảo sát, đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải sản xuất của nhà
máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng bằng vật liệu từ tính - PGM. Từ đó đánh giá hiệu quả xử lý

so với phương pháp xử lý của nhà máy hiện nay.
2.2. Mục tiêu cụ thể
Đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng bằng vật liệu từ tính và so sánh với dây
chuyền xử lý hiện nay của nhà máy.
Đề xuất mô hình xử lý bằng vật liệu từ tính - PGM, áp dụng tại nhà máy Cơ khí
– Mạ Đà Nẵng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Các ion kim loại nặng trong nước thải sản xuất của nhà máy
- Vật liệu từ tính -PGM.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Thực nghiệm tại nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng.
- Nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu đạt được sẽ trở thành cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu
trong lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp bằng phương pháp hóa lý.
Góp phần cung cấp số liệu, thông tin tin cậy về vật liệu từ tính -PGM trong xử lý
nước thải công nghiệp nhiễm kim loại nặng.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở khoa học đáng tin cậy đối với các doanh
nghiệp và nhà quản lý khi thiết lập hệ thống xử lý kim loại nặng bằng phương pháp mới
đạt hiệu quả cao, chi phí thấp và thân thiện môi trường.
5. Bố cục đề tài
MỞ ĐẦU
Chương 1 – TỔNG QUAN
Chương 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về kim loại nặng
1.1.1. Kim loại nặng
Kim loại nặng là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5 g/cm3 và thông thường chỉ
những kim loại hoặc các á kim liên quan đến sự ô nhiễm và độc hại. Kim loại nặng được
được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn,…),
những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…), các kim loại phóng xạ cực nguy hiểm (U,
Th, Ra, Am, …) [15].

Hình 1.1. Một số kim loại nặng thuộc nhóm độc
Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học, 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 [27]. Đối với
con người, có khoảng 123 nguyên tố kim loại nặng gây độc như chì (Pb), thủy ngân
(Hg), nhôm (Al), asen (As), cadimi (Cd), niken (Ni)…
Một số kim loại nặng được tìm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con
người, chẳng hạn như sắt (Fe), kẽm (Zn), magie (Mg), coban (Co), mangan (Mn),
molybden (Mo) và đồng (Cu) mặc dù với lượng rất ít nhưng nó hiện diện trong quá trình
chuyển hóa và rất cần thiết cho quá trình tồn tại và phát triển của con người. Tuy nhiên,
nếu hàm lượng các kim loại thiết yếu vượt ngưỡng cần thiết của cơ thể thì các nguyên
tố này có thể nguy hại đến đời sống của sinh vật và nguy hiểm hơn có thể gây ngộ độc
chết. 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 (Hg), nickel (Ni), chì (Pb),

cadmium (Cd), nhôm (Al), platinum (Pt) và đồng (Cu) 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 da. Nếu
kim loại nặng đi vào cơ thể và tích lũy bên trong tế bào lớn hơn sự phân giải chúng thì


4
chúng sẽ tăng dần và sự ngộ độc sẽ xuất hiện. Do vậy người 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. [13] [24]
Bảng 1.1. Chức năng của một số kim loại trong cơ thể người [20]
Nguyên tố

Nồng độ
(mg/g)

Chức năng

Ca

15

Thành phần chủ yếu của xương, biomembrane và yếu
tố đông máu

Fe

85.7×10-3

Vận chuyển và bảo quản của oxy

Si

28.5×10-3

Hình thành xơ cứng xương và mô liên kết

Zn

28.5×10-3

Đồng yếu tố của enzyme, phân chia tế bào, sự trao đổi
chất nucleic axit

Co

24.4×10-6

VitaminB12, tạo máu

Cr

28.5×10-6

Sự chuyển hóa glucose, chuyển hóa lipid, chuyển hóa
protein

Ni

143×10-6

Ổn định RNA, sự hấp thụ sắt, đồng yếu tố của enzyme

Cu

1.14×10-3

Vận chuyển oxy, thành phần oxy hóa khử, chuyển điện
tử, bổ sung oxy

(a)
(b)
(a) Ngộ độc thủy ngân (Hg) tại vùng biển Minamata, Nhật Bản (1970)
(b) Ngộ độc cadimi (Cd) tại Sahecun, phía Nam Trung Quốc
Hình 1.2. Một số thảm họa nhiễm độc kim loại nặng


5
Vì vậy, kim loại nặng tồn tại trong nước sẽ rất nguy hiểm nếu không được xử lý
triệt để. Từ đó dựa vào giới hạn nồng độ kim loại nặng có trong các nguồn nước khác
nhau để đưa ra các phương pháp xử lý phù hợp và bảo vệ môi trường. Giới hạn nồng độ
được giới thiệu trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Giới hạn nồng độ kim loại nặng trong một số nguồn nước [12]
Đơn vị tính: mg/L
Nguyên tố

Nước ngầm

Nước mặt

Nước ăn

uống

Nước biển
ven bờ

Nước thải
công nghiệp

Cd

0,005

0,005

0,003

0,005

0,1

Hg

0,001

0,001

0,001

0,001

0,01

Cr

-

-

0,05

-

-

Cr3+

-

0,05

-

0,1

1

Cr6+

0,05

0,01

-

0,02

0,1

Pb

0,01

0,02

0,01

0,05

0,5

Cu

1

0,1

1

0,03

2

Ni

-

0,1

0,02

-

0,5

1.1.2. Sắt (Fe)
Sắt là kim loại màu có số hiệu nguyên tử là 26, nguyên tử khối 55,845 g/mol, nóng
chảy ở nhiệt độ 1538 0C. Sắt có mặt nhiều trên Trái Đất, cấu thành lớp vỏ ngoài và trong
của lõi Trái Đất. Vì vậy, kim loại sắt thường được tách ra từ các mỏ quặng sắt, và rất
khó tìm thấy nó ở dạng tự do. Phần lớn sắt được tìm thấy trong các dạng oxide sắt khác
nhau, chẳng hạn như khoáng chất hematit, magnetit, taconit. [9]

Hình 1.3. Kim loại sắt (Fe)
Sắt có hai nhóm hợp kim chính là gang và thép có giá trị sử dụng và ứng dụng cao.
Với giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng mà các hợp kim sắt
được ứng dụng vào nhiều ngành công nghiệp như sản xuất ôtô, thân tàu thủy lớn, các bộ
khung cho các công trình xây dựng… [5]


6
Sắt là nguyên tố vi lượng cần thiết cho sinh vật và được phân bố ở nhiều loại tế

bào của cơ thể. Trong đó, 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: catalaz,
peroxidaza…, là thành phần quan trọng của nhân tế bào. [5]
Các nguồn chủ yếu gây ra sự ô nhiễm môi trường của sắt là do quá trình khai thác
quặng, trong nước ngầm và nước thải công nghiệp (mạ, luyện kim, gia công,…). Việc
hấp thụ quá nhiều sắt gây ngộ độc, vì khi kim loại sắt dư thừa sẽ phản ứng với các peroxit
trong cơ thể để sản xuất ra các gốc tự do. Khi lượng sắt vừa đủ thì cơ thể có một cơ chế
chống oxy hóa để có thể kiểm soát quá trình này. Khi dư thừa sắt thì những lượng dư
thừa không thể kiểm soát của các gốc tự do được sinh ra. [5]
1.1.3. Kẽm (Zn)
Kẽm là kim loại được sử dụng phổ biến cùng với sắt, nhôm, đồng tính về lượng
sản xuất hàng năm. Kẽm thường được sử dụng để mạ kim loại, chẳng hạn như thép để
chống ăn rỉ, hay trong các hợp kim như đồng thanh, niken trắng, các loại que hàn, bạc
Đức... [10]

Hình 1.4. Kim loại kẽm (Zn)
Nguồn phát thải kẽm chủ yếu do hoạt động của con người như: khai thác quặng
mỏ, luyện kim, mỗi năm trên thế giới có khoảng 1 – 3 triệu tấn kẽm từ các hoạt động
này đi vào môi trường đất; sử dụng phân bón hoá học cũng là một trong những nguyên
nhân làm gia tăng hàm lượng kẽm trong môi trường. Ngoài ra nguồn gốc phát sinh kẽm
vào môi trường đất phần lớn từ chất thải động vật, chất thải nông nghiệp, phân bón, bùn
thải cống rãnh, bụi than, nông dược, công nghiệp.
Kẽm là chất khoáng vi lượng thiết yếu cho sinh vật và sức khỏe con người, đặc
biệt trong quá trình phát triển của thai nhi và của trẻ sau khi sinh. Ở trẻ em, thiếu kẽm
gây ra chứng chậm phát triển, phát dục trễ, dễ nhiễm trùng và tiêu chảy. Mặc dù kẽm là
vi chất cần thiết cho sức khỏe, tuy nhiên nếu hàm lượng kẽm vượt quá mức cần thiết sẽ
có hại cho sức khỏe. [13]
Tác hại của kẽm đối với sức khỏe con người là hấp thụ nhiều kẽm có thể gây nôn,
tổn hại thận, lách làm giảm khả năng hấp thu đồng và gây bệnh thiếu máu liên quan đến
sự thiếu hụt đồng. Hấp thụ kẽm trong khẩu phần ăn hàng ngày lớn hơn 1000 mg gây

nôn, sốt, tổn hại thận và lách, từ 200 – 500 mg/ngày gây xáo trộn dạ dày, buồn nôn, hoa
mắt. [13]


7
1.1.4. Crom (Cr)
Crom nguyên chất là kim loại óng ánh, màu trắng xám. Crom nguyên chất rất dẻo,
nhưng hợp kim của nó với một số kim loại khác dùng trong kỹ thuật lại là những hợp
kim rất cứng, vì vậy người ta thường đưa crom vào thép để tăng độ cứng, độ bền nhiệt,
chống ăn mòn cho các loại thép hợp kim đặc biệt. [10]
Nguồn gốc của crom là từ các nhà máy trong ngành luyện kim, làm thuốc nhuộm,
vải sợi, mực in, ảnh màu và sơn, làm chất chống ăn mòn trong các thiết bị giếng khoan
(mạ), cromit được dùng để nung gạch, ngói…

Hình 1.5. Kim loại crom (Cr)
Trong nước, crom tồn tại ở 2 dạng Cr (III) và Cr (VI). Hợp chất Cr3+ hầu như
không độc, thường tồn tại trong môi trường axit. Tuy nhiên, ở hợp chất Cr6+ là những
chất oxy hóa mạnh và độc hại đối với động thực vật và con người. Nồng độ của chúng
trong nguồn nước tự nhiên tương đối thấp vì chúng rất dễ bị khử bởi các chất hữu cơ.
Cr (III) cần thiết cho cơ thể ở liều lượng nhỏ, nó tham gia vào quá trình trao đổi
chất của đường trong cơ thể, nếu thiếu hụt sẽ gây nên bệnh thiếu hụt crom. Ngược lại
Cr (VI) rất độc hại khi hít phải [1]. Nhìn chung thực phẩm là nguồn chính đưa crom vào
cơ thể con người, sự hấp thụ crom tùy thuộc trạng thái oxi hóa của chất đó. Cr (VI) hấp
thụ qua dạ dày, ruột nhiều hơn Cr (III) và còn có thể thấm qua màng tế bào.
Hàm lượng cao crom có thể làm kết tủa protein, các acid nucleic và ức chế hệ
thống enzim cơ bản, Cr (VI) gây ung thư phổi. [3]
1.2. Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước [11]
Các phương pháp để xử lý kim loại nặng trong nước thải là phương pháp hoá học,
hoá lý hay sinh học. Tuy nhiên tùy thuộc vào nguồn gốc, tính chất kim loại nặng để chọn
phương pháp hợp lý để xử lý trước khi thải vào môi trường.

1.2.1. Phương pháp đông tụ và keo tụ
Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thể tách
được các kim loại nặng gây ô nhiễm ở dạng keo và hòa tan vì chúng là những hạt rắn có
kích thước quá nhỏ. Để tách các hạt rắn đó hiệu quả hơn khi sử dụng phương pháp lắng
cần tăng kích thước của chúng nhờ có sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán liên
kết lại với nhau nhằm tăng vận tốc lắng của chúng. Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng
trọng lượng đòi hỏi trước hết cần trung hòa điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng
với nhau. Quá trình trung hòa điện tích được gọi là đông tụ, còn quá trình tạo thành các
bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ.


8
a. Cơ sở lý thuyết
Bản chất của quá trình keo tụ là thêm vào trong nước một loại hoá chất gọi là chất
keo tụ. Chất này làm cho những hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống vì trong
quá trình lắng lọc cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kích thước lớn,
các hạt nhỏ hơn 10-4 mm không thể tự lắng được.
Về nguyên tắc do độ phân tán lớn, diện tích bề mặt riêng lớn, hạt keo có xu thế hút
nhau nhờ các lực bề mặt. Mặt khác, do các hạt keo cùng loại nên các hạt keo luôn tích
điện cùng dấu nên chúng luôn đẩy nhau bởi lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt cùng dấu theo
định luật Culong, xu hướng này làm hạt keo không thể hút nhau mà chúng tìm đến các
hạt lơ lửng có điện tích trái dấu để hút vào tạo hạt lớn hơn và lắng xuống nhờ trọng lực.
b. Cơ chế hoạt động
Cơ chế của quá trình đông tụ theo mô hình hai lớp: những hạt rắn mang điện tích
âm trong nước sẽ hút các ion trái dấu. Một số các ion trái dấu đó bị hút chặt vào hạt rắn
đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn, do đó tạo thành một mặt trượt. Hiệu quả đông
tụ phụ thuộc vào hóa trị của ion, chất đông tụ mang điện tích trái dấu với điện tích của
hạt. Hóa trị ion càng lớn thì hiệu quả đông tụ càng cao.
Các chất đông tụ thường sử dụng là các muối nhôm, muối sắt hoặc hỗn hợp của
chúng. Việc lựa chọn chất đông tụ phụ thuộc bản chất của kim loại trong nước, pH và

thành phần muối trong nước.

Hình 1.6. Điện tích trên hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp
Để tăng cường cho quá trình tạo thành bông keo hydroxide nhôm và sắt, người ta
tiến hành quá trình keo tụ bằng cách cho thêm vào nước thải các hợp chất cao phân tử
gọi là chất trợ đông tụ giúp hạ thấp liệu lượng chất keo tụ, giảm thời gian keo tụ và
nâng cao tốc độ lắng của các bông keo.


9
c. Quy trình công nghệ

Hình 1.7. Sơ đồ dây chuyền công nghệ bằng phương pháp keo tụ
d. Ưu nhược điểm của phương pháp
+ Ưu điểm: phương pháp đơn giản, dễ kiểm soát và phổ biến rộng rãi; một số
loại chất keo tụ ít độc, rẻ tiền và có sẵn trên thị trường.
+ Nhược điểm: phương pháp phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ khuấy, nhiệt độ và
pH nên khó khăn trong quá trình vận hành; khả năng loại bỏ kim loại nặng trong nước
rất hạn chế.
e. Phạm vi áp dụng
Phương pháp đông tụ và keo tụ thường áp dụng để xử lý nước cấp, xử lý sơ bộ
nước thải dệt nhuộm.
1.2.2. Phương pháp tuyển nổi
Phương pháp thường được sử dụng để tách các tạp chất ở dạng rắn hoặc lỏng phân
tán không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp, quá trình này
cũng được dùng để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt.
a. Cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là sục các bọt khí nhỏ (thường là không khí)
vào trong pha lỏng. Các khí đó kết dính với các hạt và khi lực nổi của tập hợp các bóng
khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo hạt cùng nổi lên bề mặt, sau đó chúng tập hợp lại với nhau

thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt rắn cao trên bề mặt. Cuối cùng, chúng sẽ được
thu gom bằng hệ thống vớt bọt.
Hiệu suất của quá trình tuyển nổi phụ thuộc vào số lượng bọt khí. Mặt khác, lượng
không khí tiêu tốn riêng sẽ giảm khi hàm lượng hạt rắn cao, vì khi đó xác suất va chạm
và kết dính giữa các hạt sẽ tăng lên. Trong quá trình tuyển nổi, việc ổn định kích thước
của bọt khí có ý nghĩa quan trọng. Để đạt mục đích này người ta phải bổ sung thêm vào
nước các chất tạo bọt.


10
b. Quy trình công nghệ

Hình 1.8. Sơ đồ dây chuyền công nghệ bằng phương pháp tuyển nổi
c. Ưu, nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm của phương pháp tuyển nổi là có thể khử được hoàn toàn các hạt nhỏ
hoặc nhẹ, lắng chậm, thời gian ngắn và quá trình xử lý có thể thực hiện liên tục.
Nhược điểm của phương pháp là tốn rất nhiều năng lượng trong quá trình hoạt
động, các bọt khí này dễ phá vỡ các hạt cặn lơ lửng trong nước và đòi hỏi kỹ thuật khi
vận hành
d. Phạm vi ứng dụng của phương pháp
Phương pháp tuyển nổi được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải của nhiều
ngành công nghiệp như chế biến dầu mỏ, sợi tổng hợp, giấy, da, chế tạo máy, thực phẩm
và hóa chất.
1.2.3. Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ thường áp dụng để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất
hữu cơ hòa tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi nước thải chứa một
hàm lượng rất nhỏ các chất đó. Những chất này không phân hủy bằng con đường sinh
học và thường có độc tính cao.
a. Cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết của phương pháp là quá trình hấp phụ chất tan lên bề mặt chất rắn

hay chất hấp phụ. Các chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, than đá, đất sét,
zeolite, ... trong đó than hoạt tính là chất hấp phụ có bề mặt riêng lớn (400 – 1500 m2/m3).
Quá trình hấp phụ gồm ba giai đoạn:
+ Di chuyển chất cần hấp phụ từ nước thải tới bề mặt hạt hấp phụ (vùng khuếch
tán ngoài);
+ Thực hiện quá trình hấp phụ;
+ Di chuyển chất bên trong hạt chất hấp phụ (vùng khuếch tán trong);
Các chất hấp phụ người ta thường dùng là than hoạt tính, các chất tổng hợp hoặc
một số chất thải của sản xuất như xỉ tro, xỉ, mạt sắt và các chất hấp phụ bằng khoáng
chất như đất sét, silicagen, keo nhôm.
Quá trình làm sạch nước bằng phương pháp hấp phụ được tiến hành ở điều kiện
khuấy trộn mãnh liệt chất hấp phụ với nước, hoặc lọc nước thải qua bề mặt lớp chất hấp
phụ. Quá trình này có thể tiến hành một bậc hoặc nhiều bậc. Hấp phụ một bậc thường
ứng dụng khi chất hấp phụ có giá thành thấp hoặc là chất thải sản xuất. Tuy nhiên khi


11
quá trình tiến hành trong hệ thống nhiều bậc sẽ có hiệu quả cao hơn. Tái sinh chất hấp
phụ là một giai đoạn rất quan trọng. Các chất hấp phụ có thể được tái sử dụng bằng các
phương pháp lý hóa để sử dụng cho bậc tiếp theo của quá trình xử lý.
b. Quy trình công nghệ

Hình 1.9. Sơ đồ dây chuyền công nghệ bằng phương pháp hấp phụ
c. Ưu, nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm: phương pháp có khả năng làm sạch cao, chất hấp phụ sau khi sử dụng
đều có khả năng hoàn nguyên để tái sử dụng làm hạ giá thành xử lý và xử lý hiệu quả
kim loại nặng ở nồng độ thấp.
Nhược điểm: không thể sử dụng đối với nguồn thải có tải trọng ô nhiễm cao, quá
trình xử lý thường phải thực hiện theo phương án gián đoạn.
d. Phạm vi ứng dụng của phương pháp

Phương pháp hấp phụ sử dụng nhiều trong khử thủy ngân, tách các hợp chất hữu
cơ như phenol và các hợp chất thơm hoặc khử các chất nhuộm khó phân hủy.
1.2.4. Phương pháp kết tủa hoá học
a. Cơ sở lý thuyết của phương pháp
Phương pháp kết tủa được thực hiện dựa trên phản ứng hoá học giữa chất đưa vào
nước thải với kim loại cần tách, ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được
tách khỏi nước thải bằng phương pháp lắng. Phương pháp thường được dùng là kết tủa
kim loại dưới dạng hydroxide bằng cách trung hoà đơn giản các chất thải axit. Độ pH
kết tủa tối ưu của các kim loại không trùng nhau, giá trị từ 7 – 10,5.
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 hoà tan của kim loại trong dung dịch có mặt các kim loại
khác sẽ giảm, có thể do một hay đồng thời cả 3 nguyên nhân sau: tạo thành chất cùng
kết tủa; hấp thụ các hydroxide khó kết tủa vào bề mặt của các bông hydroxide để kết
tủa; tạo thành hệ nghèo năng lượng trong mạng hydroxide do chúng bị phá huỷ mạnh
bằng các ion kim loại. Như vậy đối với phương pháp kết tủa kim loại thì pH đóng vai
trò rất quan trọng. Khi xử lý cần chọn tác nhân trung hoà và điều chỉnh pH phù hợp.


12
b. Quy trình công nghệ

Hình 1.10. Sơ đồ dây chuyền công nghệ bằng phương pháp kết tủa hóa học
c. Ưu, nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm: phương pháp kết tủa hóa học rẻ tiền, đơn giản, dễ sử dụng, xử lý cùng
lúc nhiều kim loại và ứng dụng rộng rãi.
Nhược điểm: hiệu quả không cao khi nồng độ kim loại lớn, phụ thuộc nhiều yếu
tố (nhiệt độ, pH, bản chất kim loại) và tạo ra lượng bùn thải lớn.
d. Phạm vi ứng dụng
Ứng dụng phương pháp vào xử lý nước thải chứa nhiều kim loại khác nhau như
nước thải xi mạ, sản xuất hóa chất, cơ khí luyện kim,...

1.2.5. Phương pháp trao đổi ion
a. Cơ sở lý thuyết của phương pháp
Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion sử dụng các ionid là nhựa hữu
cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hydrocarbon và các nhóm chức trao đổi ion.
Quá trình trao đổi ion được tiến hành trong cột Cationid và Anionid. 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. Đối với xử lý kim loại hoà tan trong nước
thường dùng cơ chế phản ứng thuận nghịch:
RmB + mA  m RA + B
Phản ứng xảy ra cho tới khi cân bằng được thiết lập. Quá trình gồm các giai đoạn
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 hoá học trao đổi ion A và B.
+ Khuyếch 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.
+ Khuyếch tán các ion B qua màng.
+ Khuyếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng.


13
Đặc tính của quá trình trao đổi ion: sản phẩm không hoà tan trong điều kiện bình
thường; sản phẩm được gia công hợp cách; sự thay đổi trạng thái của trao đổi ion không
làm phân huỷ cấu trúc vật liệu.
b. Quy trình công nghệ

Hình 1.11. Sơ đồ dây chuyền công nghệ bằng phương pháp trao đổi ion
c. Ưu, nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm: phương pháp có thể tiến hành ở qui mô lớn và với nhiều loại kim loại
khác nhau và cho phép thu hồi các chất có giá trị kinh tế.
Nhược điểm: tốn nhiều thời gian, tiến hành khá phức tạp do phải hoàn nguyên vật
liệu trao đổi, hiệu quả cũng không cao.
d. Phạm vi ứng dụng
Hiện nay phương pháp được ứng dụng để làm sạch nước hoặc nước thải có chứa
kim loại nặng như Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Cd, ... cũng như các hợp chất của asen, phospho,
xyanua và chất phóng xạ.
1.2.6. Phương pháp điện hóa
a. Cơ sở lý thuyết của phương pháp
Cơ sở lý thuyết của phương pháp là tách kim loại nặng bằng cách nhúng các điện
cực trong nước thải, cho dòng điện một chiều chạy qua. Ứng dụng sự chênh lệch điện
thế giữa hai điện cực kéo dài vào bình điện phân để tạo ra một điện trường định hướng,
các ion chuyển động trong điện trường này. Các cation chuyển dịch về catod, các anion
về anod. Khi điện áp đủ lớn, phản ứng sẽ xảy ra ở mặt phân cách chất dung dịch điện
cực.
Việc làm sạch bằng phương pháp điện hóa có thể tiến hành gián đoạn hoặc liên
tục. Hiệu suất của phương pháp được đánh giá bằng một loạt các yếu tố như mật độ
dòng điện, điện áp, hệ số sử dụng hữu ích điện áp, hiệu suất theo dòng và hiệu suất theo
năng lượng.


14
b. Ưu, nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm: phương pháp xử lý nhanh, tiện lợi, hiệu quả cao, ít độc. Các phương
pháp điện hóa cho phép lấy ra từ nước thải các sản phẩm có giá trị bằng các sơ đồ công
nghệ tương đối đơn giản, tự động hóa và không cần sử dụng các tác nhân hóa học.

Nhược điểm: tốn kém về chi phí xử lý, tiêu hao lượng điện năng lớn.
c. Phạm vi áp dụng
Phương pháp này chỉ thích hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao.
1.2.7. Phương pháp oxy hóa – khử
Đây là một phương pháp thông dụng để xử lý nước thải có chứa kim loại nặng khi
mà phương pháp vi sinh không thể xử lý được.
a. Cơ sở lý thuyết
Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự chuyển từ dạng này sang dạng khác
nhờ có thêm electron (khử) hoặc mất electron (oxy hoá) được tạo bởi sự cho nhận
electron được gọi là hệ thống oxy hoá – khử.
Khử  Oxy hóan+ + neKhả năng tương tác được đặc trưng bằng thế oxy hoá khử, phụ thuộc vào hoạt tính
của hai dạng bị oxy hóa và bị khử. Trong quá trình oxy hóa, các chất độc hại trong nước
thải được chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước. Quá trình này tiêu tốn
một lượng lớn các tác nhân hóa học, do đó quá trình oxy hóa hóa học chỉ được dùng
trong những trường hợp khi các tạp chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách
bằng các phương pháp khác. Ví dụ khử xyanua hay hợp chất hòa tan của asen.
b. Phạm vi ứng dụng
Oxy hóa bằng clo: clo và các chất có chứa clo hoạt tính là chất oxy hóa thông dụng
nhất. Người ta sử dụng chúng để tách các hợp chất chứa phenol, metylsunfit và xyanua
ra khỏi nước thải.
Oxy hóa bằng peoxyt hydro (H2O2): đây là chất lỏng không màu và có thể trộ lẫn
với nước ở bất kì tỷ lệ nào và được dùng để oxy hóa các nitrit, các aldehit, phenol,
xyanua, các chất thải chứa lưu huỳnh và chất nhuộm mạnh. Tuy nhiên H2O2 có tính độc
và nồng độ giới hạn cho phép trong nước là 0,1 mg/L nên lưu ý khi sử dụng. Trong quá
trình xử lý nước người ta không chỉ sử dụng tính chất oxy hóa của H2O2 mà còn sử dụng
cả tính khử của nó để loại bỏ clo trong nước.
Oxy hóa bằng oxi trong không khí: được sử dụng để tách sắt ra khỏi nước, biến
2+
Fe thành Fe3+. Quá trình oxy hóa được tiến hành bằng sự thông gió qua nước trong các
tháp phun mưa. Oxy của không khí còn được sử dụng để oxy hóa sunfua trong nước thải

các nhà máy giấy, chế biến dầu mỏ.
Oxy hóa bằng pyroluzit: thường được dùng để oxy hóa As3+ đến As5+. Khi tăng
nhiệt độ sẽ làm tăng mức độ oxy hóa. Quá trình oxy hóa này thường được tiến hành
bằng cách lọc nước thải qua lớp vật liệu MnO2 hoặc trong thiết bị khuấy trộn với vật
liệu đó.
Ozon hóa: cho phép đồng thời khử tạp chất nhiễm bẩn, khử màu, khử các vị lạ và
mùi đối với nước. Quá trình ozon hóa được ứng dụng để làm sạch nước thải khỏi phenol,
sản phẩm dầu mỏ, các hợp chất asen, chất hoạt động bề mặt, xyanua, chất nhuộm, ngoài


15
ra ozon có thể oxy hóa cả các chất vô cơ như khoáng chất (Fe2+, Mn2+)... Độ hòa tan của
ozon trong nước phụ thuộc vào pH và hàm lượng của các chất hòa tan trong nước.
Làm sạch bằng khử: được ứng dụng trong trường hợp nước thải chứa các chất dễ
bị khử như tách các hợp chất thủy ngân, asen, crom,... ra khỏi nước thải.
+ Trong xử lý nước thải chứa thủy ngân ở dạng vô cơ, người ta khử thủy ngân
kim loại và tách ra khỏi nước bằng quá trình lắng, lọc hoặc tuyển nổi. Còn các hợp chất
thủy ngân thì trước tiên chúng bị oxy hóa để phá vỡ hợp chất, sau đó khử cation thủy
ngân thành thủy ngân kim loại.
+ Khử Cr ra khỏi nước thải bằng chất khử NaHSO3 xảy ra theo phản ứng sau:
4H2CrO4 + 6 NaHSO3 + 3H2SO4  2Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 + 10H2O
Để lắng Cr3+ người ta dùng tác nhân kiềm NaOH và pH tối ưu tạo kết tủa nhằm
tăng hệ số lắng.
1.2.8. Phương pháp đồng kết tủa
Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp hiệu quả nhất cho việc
tách và cô đặc các nguyên tố vi lượng từ dung dịch. Nó có một số lợi thế như thao tác
đơn giản và nhanh chóng, một số các ion có thể được cô đặc và tách ra khỏi dung dịch
cùng một lúc. Đồng kết tủa bởi hydroxide, sulfide, sulfat, phosphat của các ion kim loại
khác nhau bao gồm Mg, Yb, La, In và Fe đã áp dụng. Mg có độc tính thấp và có hàm
lượng cao trong vỏ trái đất, nên được xem là nguyên tố đồng kết tủa có tiềm năng (Mg

> 10 mg/L).
Ưu điểm của phương pháp đồng kết tủa sử dụng Mg này là không cần phải thêm
bất kỳ chất tạo kết tủa nào từ bên ngoài khi áp dụng cho các mẫu nước biển.
1.2.9. Phương pháp sinh học
a. Cơ sở lý thuyết
Dựa trên nguyên tắc một số loài thực vật, vi sinh vật trong nước sử dụng kim loại
như chất vi lượng trong quá trình phát triển sinh khối như bèo tây, bèo tổ ong, tảo,…
Nhiều loài thực vật có khả năng hấp thụ và tích lũy các kim loại nặng trong các bộ phận
khác nhau. Hiện nay có trên 400 loài thuộc 45 họ thực vật có khả năng hấp thụ kim loại
trong môi trường. Với phương pháp này, nước thải phải có nồng độ kim loại nặng nhỏ
hơn 60 mg/L. Trong thực tế, công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật đòi hỏi phải đáp
ứng một số điều kiện cơ bản như dễ trồng, có khả năng vận chuyển các chất ô nhiễm từ
nước lên thân nhanh, chống chịu được với nồng độ các chất ô nhiễm cao và cho sinh
khối nhanh. Tuy nhiên, hầu hết các loài thực vật có khả năng tích lũy kim loại nặng cao
là những loài phát triển chậm và có sinh khối thấp, trong khi các thực vật cho sinh khối
nhanh thường rất nhạy cảm với môi trường có nồng độ kim loại cao.
Ngoài thực vật, một số loài vi sinh vật cũng có khả năng tích lũy kim loại nặng
như vi khuẩn. Cơ chế hấp thụ kim loại nặng của vi khuẩn như sau:
+ Giai đoạn 1: tích tụ các kim loại nặng vào sinh khối để 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.