Ứng dụng vật liệu hấp phụ nhằm giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng trong nước

Tác hại của nước thải chứa kim loại nặng từ các phòng thí nghiệm

Hiện nay, các phòng thí nghiệm hóa học trên cả nước thường sử dụng một lượng lớn các loại hóa chất, trong đó có một lượng đáng kể các kim loại nặng như sắt, mangan, crom, đồng… Tuy nhiên, các hóa chất này thường không qua xử lý mà được xả thải trực tiếp vào hệ thống nước thải trong khi hệ thống xử lý nước thải tập trung của đô thị chưa đáp ứng được yêu cầu này. Nước thải đô thị cùng nước mưa xả thẳng ra các sông hồ mang theo những chất có khả năng gây ô nhiễm, một khi tích lũy đủ trong môi trường nước và trầm tích của các lưu vực tiếp nhận sẽ gây ngộ độc hệ thủy sinh. Đặc biệt, trong số các kim loại nặng, sắt và mangan là các kim loại gây hậu quả xấu đến sức khoẻ con người và môi trường sinh thái. Những kim loại này thông qua chuỗi thức ăn đi vào cơ thể con người, tích luỹ trong các cơ quan của cơ thể và khi quá giới hạn cho phép chúng sẽ gây hại cho cơ thể. Tác hại của nước nhiễm sắt và mangan có thể kể đến bao gồm:

Tác hại của nước nhiễm sắt: nước nhiễm sắt hay còn được gọi là nước nhiễm phèn, có hàm lượng sắt cao hơn cao hơn 0,5 mg/l thường có mùi tanh, khó chịu, chứa nhiều cặn bẩn màu vàng, nước thường đục. Nếu sử dụng nước nhiễm sắt sẽ gây ra các bệnh như là dị ứng, tiêu chảy, viêm đường ruột, khô da, khô tóc, viêm da, vàng răng. Nguy hiểm hơn, nếu sử dụng trong thời gian dài có thể sẽ có nguy cơ mắc các bệnh mạn tính, ung thư… bởi trong nước còn ẩn chứa các vi khuẩn, các chất độc hại.

Tác hại nước nhiễm mangan: mangan có mặt trong nước ở dạng ion hòa tan (Mn²⁺). Nếu ở hàm lượng này nhỏ dưới 0,1 mg/l thì có lợi cho sức khỏe. Tuy nhiên, nếu hàm lượng mangan cao 1-5 mg/l sẽ gây ra ảnh hưởng đến các cơ quan nội tạng của cơ thể như gây độc với phổi, thận,  tim mạch và hệ thần kinh. Khi hít phải mangan với lượng lớn, có thể gây hội chứng nhiễm độc ở động vật, gây tổn thương hệ thần kinh. Đặc biệt, sử dụng nguồn nước bị nhiễm mangan trong thời gian dài sẽ gây ra giảm khả năng ngôn ngữ, giảm trí nhớ, khả năng vận động liên quan đến tay và chuyển động của mắt bị suy giảm, nếu nhiễm độc mangan lâu ngày có thể dẫn đến triệu chứng thần kinh không bình thường như dáng đi và ngôn ngữ bất thường.

Ứng dụng vật liệu hấp phụ xử lý nước thải kim loại nặng

Để xử lý nước thải chứa hàm lượng kim loại nặng, đặc biệt là sắt và mangan, các nhà khoa học thuộc Trường Đại học Y Dược Hải Phòng đã tìm ra một loại vật liệu vừa có khả năng hấp phụ, giá thành rẻ, sẵn có, được sử dụng rộng rãi cho nhiều đối tượng nước thải… đó là vỏ trấu.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành ngâm vỏ trấu vào nước trong vòng 12 giờ, sau đó vớt ra rửa sạch bằng nước cất rồi tiến hành sấy khô ở nhiệt độ 110^oC trong 3 giờ. Tiếp tục lấy 130 g vỏ trấu này cho vào 2 l dung dịch NaOH 0,1M rồi khuấy tiếp 1 giờ. Quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi phản ứng hết kiềm. Khi đã hết dung dịch kiềm, lấy phần vỏ trấu trên cho vào 1 l axit citric 0,4M để phản ứng ở 70^oC trong 6 giờ. Cuối cùng, đem sấy khô ở 80^oC trong  giờ thu được vật liệu hấp phụ.

Nhóm nghiên cứu đã phân tích hình thái bề mặt của vật liệu bên trong và ngoài bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) (hình 1). Kết quả cho thấy, đã có sự khác biệt đáng kể về hình thái bề mặt của vỏ trấu sau biến tính so với vỏ trấu ban đầu. Theo đó, vật liệu đã thay đổi từ hình thái dạng tấm với bề mặt tương đối nhẵn nhụi sang hình thái dạng sợi đang xen nhau, cùng  với sự xuất hiện của các hốc rỗng của vỏ trấu. Có thể giải thích, đây là do sự phân hủy các thành phần kém bền của vỏ trấu trong quá trình nhiệt phân và sự tạo thành các liên kết mới giữa vỏ trấu với axit citric. Các lỗ xốp trên bề mặt vỏ trấu có dạng hình đa giác, kích thước lỗ xốp dao động trong khoảng 20-100 nm với mật  độ phân bố xấp xỉ 30 lỗ xốp/µm. Tính chất này dự báo vỏ trấu có tiềm năng làm vật liệu hấp phụ các chất ô nhiễm.

Hình 1. (a) ảnh SEM của vỏ trấu trước biến tính; (b) ảnh SEM của vỏ trấu sau biến tính.

Sau khi đã tìm được các điều kiện tối ưu của quá trình hấp phụ, nhóm nghiên cứu tiến hành sử dụng vật liệu hấp phụ đã chế tạo để hấp phụ mẫu nước thải chứa sắt và magan của phòng thí nghiệm. Kết quả hấp phụ được thể hiện trên bảng 1.

Bảng 1. Hàm lượng sắt và mangan trước và sau khi xử lý.  

Kết quả trên bảng 1 cho thấy, vật liệu có khả năng hấp phụ tốt đối với sắt và mangan trong mẫu nước thải. Sau khi xử lý, hàm lượng sắt và magan trong nước thải đều đạt QCVN 08:2008/BTNMT - quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt. Có thể nói, kết quả của đề tài đã mang lại nhiều ý nghĩa quan trọng. Về mặt kinh tế - xã hội, đề tài đã tạo ra sản phẩm kinh tế từ nguồn phế thải nông nghiệp sẵn có, rẻ tiền, góp phần phát triển mục tiêu kinh tế xanh. Về mặt môi trường, vật liệu hấp phụ than hoạt tính từ vỏ trấu có khả năng hấp phụ tốt đối với hàm lượng sắt và mangan có trong nước thải, giúp giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng trong nước, nâng cao chất lượng nguồn nước sử dụng.

Sản phẩm của đề tài là kết quả của việc ứng dụng KH&CN trong bảo vệ môi trường, phát huy ý chí và sự sáng tạo của các nhà khoa học trong nước với mong muốn góp phần vào công cuộc bảo vệ môi trường, nâng cao sức khỏe cộng đồng. Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục cải tiến vật liệu hấp phụ vỏ trấu qua đó nâng cao khả năng hấp phụ với hàm lượng kim loại sắt và mangan có trong nước thải.