Nghiên cứu xử lí ion kim loại nặng Cu²⁺, Ni²⁺ và Pb²⁺ trong nước thải công nghiệp. ứng dụng thu hồi ion Cu²⁺ trong nước thải phòng thí nghiệm hóa học và tinh chế CuSO₄ làm hóa chất

KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 32 | 82 NGHIÊN CỨU XỬ LÍ ION KIM LOẠI NẶNG Cu2+, Ni2+ VÀ Pb2+ TRONG NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP. ỨNG DỤNG THU HỒI ION Cu2+ TRONG NƯỚC THẢI PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA HỌC VÀ TINH CHẾ CuSO4 LÀM HÓA CHẤT Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Thị Thi Hạ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thủy Tiên Lớp: CQ.58.KTMT Lê Thị Lan Trinh Lớp: CQ.58.KTMT Nguyễn Thị Nguyên Lớp: CQ.58.KTMT Huỳnh Thạnh Khoa Lớp: CQ.58.KTMT Tóm tắt: Hiện nay ở Việt Nam, việc xử lí nước thải chứa ion kim loại nặng từ các nhà máy vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Nồng độ nước thải chứa các ion kim loại nặng như Cu2+, Ni2+ và Pb2+ của các nhà máy thải ra môi trường nước đều vượt quá mức cho phép. Đề tài đã phân tích tình hình thực trạng cũng như nguyên nhân gây ô nhiễm nước thải ở các khu công nghiệp gần thành phố Hồ Chí Minh và các phương pháp xử lý ion kim loại nặng . Ứng dụng phương pháp kết tủa để thu hồi Cu2+ trong nước thải phòng thí nghiệm Đại học GTVT Phân hiệu tại TP. HCM và tinh chế lại CuSO4 làm hóa chất sử dụng, tránh thải ra ngoài môi trường. Từ khóa: Phương pháp xử lí ion Cu2+, xử lí ion kim loại nặng, tinh chế CuSO4. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay ở Việt Nam, việc xử lí nước thải chứa ion kim loại nặng từ các nhà máy vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Hầu hết các nhà máy chưa có hệ thống xử lí hay hệ thống còn quá sơ sài. Vì vậy, nồng độ nước thải chứa các ion kim loại nặng của các nhà máy thải ra môi trường là các hệ thống sông hồ đều vượt quá mức cho phép. Theo số liệu và khảo sát sơ bộ của chúng tôi nhận thấy các nghiên cứu về xử lí ion kim loại nặng hiện nay chủ yếu là bằng các vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có nguồn gốc tự nhiên ứng dụng trong xử lý môi trường. Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi đã phân tích tình hình thực trạng cũng như nguyên nhân gây ô nhiễm nước thải ở các khu công nghiệp gần thành phố Hồ Chí Minh và các phương pháp xử lí ion kim loại nặng Cu2+, Ni2+ và Pb2+. Ứng dụng phương pháp kết tủa để thu hồi Cu2+ trong nước thải phòng thí nghiệm và tinh chế lại CuSO4 làm hóa chất sử dụng, tránh thải ra ngoài môi trường. 2. CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1. Tình hình thực trạng của nước thải chứa ion kim loại nặng ở các khu công nghiệp gần thành phố Hồ Chí Minh. Đối với các khu vực phía Nam, nồng độ các kim loại nặng độc hại trong nước ô nhiễm của các kênh rạch vượt quá giá trị cho phép so với nước sông rạch không ô nhiễm tăng từ 16 đến 700 lần. Ví dụ nước ở các kênh rạch Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Cầu Bông, so với giá trị tiêu chuẩn có hàm lượng Cd gấp 16 lần, Cr gấp 60 lần, Zn gấp 90 lần, Pb gấp 700 lần. Hàm lượng KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 33 | 82 các kim loại nặng trong trầm tích của kênh Nhiêu Lộc tại địa điểm cầu Ông Tá: Pb (7460 ppm), Cu (1090 ppm), Zn (2200 ppm) Tại huyện Tân Trạch, Long An, hàm lượng Cd trong nước từ 2-8 mg/l, gấp 40-60 lần TCCP; Pb từ 0,7-2,7 mg/l, gấp 7-27 lần TCCP; tại huyện Tân Trụ, hàm lượng kim loại nặng trong nước đã ở mức gây độc đối với vật nuôi. 2.2. Phương pháp xử lý các ion kim loại nặng trong công nghiệp. 2.2.1. Phương pháp kết tủa hóa học Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa 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 ra khỏi nước thải bằng phương pháp lắng. Phương trình tạo kết tủa: Mn+ + Am- = MmAn ↓ 2.2.2. Phương pháp trao đổi ion Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ion 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 Cation và Anion. 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. 2.2.3. Phương pháp điện hóa Dựa trên cơ sở của quá trình oxy hóa khử để tách kim loại trên các điện cực nhúng trong nước thải chứa kim loại nặng khi 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 catốt, các anion về anốt. Khi điện áp đủ lớn, phản ứng sẽ xảy ra ở mặt phân cách chất dung dịch điện cực: + Ở anốt : Chất khử nhường electron : A- → A + e- + Ở catốt : Chất oxi hóa nhận electron: C+ + e- → C 2.2.4. Phương pháp hấp phụ 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. 2.2.5. Phương pháp sinh học KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 34 | 82 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... 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... Thực vật có nhiều phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường. 2.3. Thực nghiệm kết tủa ion Cu2+ chứa trong chất thải phòng thí nghiệm và tinh chế CuSO4 2.3.1. Hóa chất Hóa chất được sử dụng: NaOH độ tinh khiết (>96,0%), Ethanol 96%, nước cất 2 lần, giấy pH, dung dịch axit H2SO4. 2.3.2. Thí nghiệm kết tủa ion Cu2+ chứa trong chất thải phòng thí nghiệm Hình 1. Quy trình điều chế Cu(OH)2 theo phương pháp đồng nhỏ giọt 2.3.4. Tinh chế CuSO4 Cân lượng Cu(OH)2 để xác định khối lượng. Nghiền mịn Cu(OH)2 bằng cối sứ cho mịn, sau đó cho dung dịch H2SO4 vào tiến hành trộn cơ học để hòa tan hết lượng kết tủa. Hỗn hợp dung dịch sau phản ứng sẽ được tiến hành già hóa qua, sau đó đem ly tâm, lọc lấy CuSO4, sấy khô được tinh thể CuSO4. Cu(OH)2+ H2SO4 → CuSO4 + 2H2O KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 35 | 82 (a) (b) Hình 2. a) Dung dịch được tiến hành già hóa qua đêm; b) Nghiền mịn Cu(OH)2 bằng cối sứ Hình 3. a) Cho dung dịch H2SO4 để hòa tan hết lượng kết tủa Cu(OH)2 ; b) Dung dịch CuSO4 sau khi tinh chế 3. KẾT LUẬN Nghiên cứu xử lí ion kim loại nặng Cu2+, Ni2+ và Pb2+ trong nước thải công nghiệp. Ứng dụng thu hồi ion Cu2+ trong nước thải phòng thí nghiệm hóa học và tinh chế CuSO4 làm hóa chất đã thu được các kết quả như sau: Bảng tổng kết về phương pháp xử lí ion kim loai nặng Cu2+, Ni2+, Pb2+ trong nước thải công nghiệp. KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 36 | 82 Quy trình thực nghiệm thu hồi Cu2+ bằng phương pháp kết tủa hóa học và tinh chế CuSO4 làm hóa chất sử dụng cho phòng thí nghiệm hóa học Đại học GTVT Phân hiệu tại TP. HCM tránh thải ra ngoài môi trường. Tài liệu tham khảo [1]. Trần Văn Đức, Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng Cu2+ và Zn2+ trong nước bằng vật liệu SiO2 tách từ vỏ trấu, luận văn thạc sĩ khoa học, bộ giáo dục và đào tạo đại học Đà Nẵng. [2]. PGS.TS. Bùi Cách Tuyến, Xây dựng Kế hoạch xử lý triệt để các cơ sở gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng đến năm 2020, Tạp chí Môi trường, số 9/2012. [3]. Lê Hoàng Việt, Phương pháp kết tủa, Trung tâm kĩ thuật môi trường và năng lượng mới. [4]. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, Giáo trình xử lý nước thải, Nhà xuất bản KHKT, 2002. [5]. PGS. TS Đào Quang Liêm, Hóa học đại cương, NXB GTVT, 2008. [6]. Nguyễn Đình Triệu, Các phương pháp phân tích Vật lý và Hóa lý, NXBKHTN, 2001. [7]. xulymoitruong.com, Công ty môi trường Ngọc Lân, Xử lý nước thải ở các làng nghề.