nghiên cứu khả năng hấp phụ niken trong nước của xơ dừa biến tính bằng phương pháp trắc quang phân tử uv- vis với thuốc thử dimetylglioxim

Các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa dầu hay công nghệ dệt nhuộm… đã tạo ra các nguồn ô nhiễm chính chứa các kim loại nặng độc hại như

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ NIKEN TRONG NƯỚC CỦA XƠ DỪA BIẾN TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG UV-VIS VỚI THUỐC THỬ DIMETYLGLIOXIM

Mở đầu

Ô nhiễm môi trường nước hiện nay là một vấn đề được toàn xã hội quan tâm Nước không chỉ là phương tiện của nhiều hoạt động đời sống mà còn là một thành tố thiết yếu tạo nên cơ thể con người Có thể khẳng định rằng nếu thiếu nước sạch con người không thể tồn tại Ngoài tác động trực tiếp đến chất lượng sống của con người, sự xuống cấp nghiêm trọng của nguồn nước cả về

số lượng lẫn chất lượng còn kéo theo những hệ lụy nghiêm trọng đến hệ sinh thái tồn tại trong nguồn nước như thực vật, động vật và cả hệ vi sinh vật Ở Việt Nam đang tồn tại một thực trạng đó là nước thải ở hầu hết các cơ sở sản xuất chỉ được xử lí sơ bộ thậm chí thải trực tiếp ra môi trường Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm nghiêm trọng Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức của con người, siết chặt công tác quản lí môi trường thì việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ độc hại ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn

Cùng với sự gia tăng các hoạt động công nghiệp là việc sản sinh các chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái Các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử,

mạ điện, lọc hóa dầu hay công nghệ dệt nhuộm… đã tạo ra các nguồn ô nhiễm chính chứa các kim loại nặng độc hại như Cu, Pb, Ni, Cd, As, Hg… Những kim loại này có liên quan trực tiếp đến các biến đổi gen, ung thư cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường…

Trong số nhiều phương pháp được nghiên cứu để loại các kim loại nặng trong môi trường nước, phương pháp hấp phụ được lựa chọn và đã mang lại hiệu quả cao Ưu điểm của phương pháp này là đi từ nguyên liệu rẻ tiền, sẵn

có, qui trình đơn giản và không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại Đối với những nước đang phát triển như Việt Nam, qui mô công nghiệp chủ yếu ở mức vừa và nhỏ, việc xử lý nước thải gặp nhiều khó khăn do chi phí

xử lý cao, khả năng đầu tư thấp Các phụ phẩm nông nghiệp do đó được nghiên cứu nhiều để sử dụng trong việc xử lý nước vì chúng có các ưu điểm là giá

thành rẻ, là vật liệu có thể tái tạo được và thành phần chính của chúng chứa các polymer dễ biến tính và có tính chất hấp phụ hoặc và trao đổi ion cao

Hiện nay, có rất nhiều chất hấp phụ rẻ tiền, dễ kiếm như bã mía, vỏ lạc, lõi ngô,

vỏ dừa, rơm, bèo tây, chuối sợi… được sử dụng để loại bỏ các chất gây độc hại trong môi trường nước Xơ dừa đang được đánh giá là tiềm năng để chế tạo các vật liệu hấp phụ (VLHP) để xử lí ô nhiễm môi trường

Xuất phát từ những lí do trên, tôi thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu khả năng hấp phụ Niken trong nước của xơ dừa biến tính bằng phương pháp trắc quang phân tử UV-VIS với thuốc thử Dimetylglioxim”

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể áp dụng trong việc sử dụng xơ dừa biến tính để hấp phụ dư lượng Niken trong nước

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Khái niệm môi trường nước và ô nhiễm nguồn nước

1.1.1 Khái niệm môi trường nước

1.1.1 Khái niệm môi trường nước

Môi trường nước là một trong bốn thành phần cấu tạo môi trường, không thể thiếu trong hệ sinh thái Môi trường nước duy trì sự sống, sự trao đổi chất,

sự cân bằng sinh thái trên toàn cầu Bản thân môi trường nước là dạng môi trường đầy đủ có hai thành phần chính là nước và các chất tan, chất khí

Môi trường nước bao gồm các dạng nước: nước ngọt, nước mặn, nước ao

hồ, sông ngòi, nước đóng băng tuyết, hơi nước và nước ngầm

Hình 1.1 Phân bố nước trên trái đất

1.1.2 Chu trình các nguồn nước

Trong tự nhiên nguồn nước luôn được luân hồi theo chu trình thủy văn Theo chu trình thủy văn này lượng nước luôn được bảo tồn hay được chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc từ nơi này đến nơi khác Tùy theo nguồn nước, thời gian luân hồi có thể ngắn đến vài tuần hoặc dài hàng ngàn năm Nguồn nước ngọt được luân hồi qua các quá trình bốc hơi và mưa

Hình 1.2 Vòng tuần hoàn nước

1.1.3 Tài nguyên nước ở Việt Nam và vai trò của nước trong cuộc sống [8], [3]

Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa Tài nguyên nước mặt của nước ta phong phú, gần 90% lượng nước từ bên ngoài chảy vào tập trung ở đồng bằng sông Cửu Long Phần nước chảy trên lãnh thổ Việt Nam lại phân phối không đều theo không gian và thời gian

Nguồn nước mặt dồi dào làm cho nước ngầm cũng phong phú Theo đánh giá, tổng lượng nước ngầm trên toàn lãnh thổ đạt 1515 m3, xấp xỉ 15% tổng trữ lượng nước mặt Một phần nước ngầm ở đồng bằng Bắc Bộ và đặc biệt

ở đồng bằng Nam bộ bị nhiễm mặn và nhiễm phèn

Tài nguyên nước của Việt Nam phong phú, nhưng nguồn nước thực sự

có thể sử dụng, đảm bảo chất lượng còn hạn chế Hiện nay mới chỉ có khoảng

20 – 40% gia đình Việt Nam đủ nước dùng theo tiêu chuẩn nước sạch

Hiện tượng suy giảm chất lượng nước mặt đang lan rộng ra nhiều nơi do

ô nhiễm của các chất thải từ các khu công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận

tải… Riêng thành phố Hà Nội hiện nay tổng lượng nước thải trong một ngày đêm từ 300.000 – 400.000 m3, trong đó nước thải từ sản xuất công nghiệp chiếm 85 – 90 ngàn m3

Tổng lượng rác thải sinh hoạt 1800 – 2000 m3

/ngày đêm, nhưng mới chỉ gom thu được khoảng 850 m3, phần còn lại được xả vào các khu đất ven hồ, kênh mương gây ô nhiễm nặng cho nguồn nước

Trong khi đó, trong sinh hoạt nhu cầu tối thiểu bình quân cho một người trong một ngày khoảng 50 lít nước/ngày Ở Hà Nội hiện nay đang phấn đấu đạt bình quân khoảng 200 – 250 lít nước/người/ngày đêm

Trong nông nghiệp, nước được cung cấp cho các quá trình chăn nuôi, trồng trọt, tưới tiêu, nuôi trồng thủy sản… Số lượng nước dùng trong nông nghiệp lớn, nhưng về mặt tiêu chuẩn, nước cung cấp cho nông nghiệp không đòi hỏi quá chặt chẽ nghiêm ngặt như nước sinh hoạt

Nhu cầu về nước cho sản xuất công nghiệp là rất lớn, đa dạng Ví dụ như để sản xuất 1 lít bia cần khoảng 15 lít nước, 1 tấn giấy cần 300 m3

nước, 1 tấn nhựa tổng hợp cần 2000 m3

nước…

1.1.4 Ô nhiễm nguồn nước

1.1.4.1 Khái niệm ô nhiễm môi trường nước

Môi trường nước có thể bị nhiễm bẩn hoặc bị ô nhiễm Nhiễm bẩn có thể màu sắc bị thay đổi nhưng chưa gây hại

Môi trường nước được xem bị ô nhiễm khi nồng độ chất độc hại gây ô nhiễm vượt quá mức an toàn cho phép Ô nhiễm nguồn nước có thể do sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải và sinh hoạt của con người

Ô nhiễm môi trường nước là một vấn đề của toàn cầu Kiểm soát và hạn chế sự ô nhiễm nước là một vấn đề cấp bách và cần thiết Vấn đề này có liên quan đến các yếu tố chính trị, kinh tế, xã hội, khoa học, công nghệ và nhận thức của cộng đồng

Hình 1.3 Ô nhiễm nguồn nước khiến cá chết hàng loạt

Hình 1.4 Ô nhiễm nguồn nước

1.1.4.2 Các nguồn gây ô nhiễm nước

Có nhiều nguồn gây ô nhiễm nước bề mặt và nước ngầm Hầu hết các nguồn gây ô nhiễm là do hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, ngư nghiệp, giao thông, dịch vụ và sinh hoạt do con người

Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng do hoạt động công nghiệp bao gồm: khai thác mỏ; công nghiệp sản xuất các hợp chất vô cơ; quá trình sản xuất

sơn, mực, thuốc nhuộm và một lượng lớn kim loại được thải ra từ nguồn nước thải của công nghệ mạ điện

 Mạ điện

Nước thải từ công nghiệp mạ điện có chứa nhiều kim loại nặng độc hại như đồng, kẽm, crôm, niken, cadimi…Nồng độ các kim loại trong nước thải dao động đáng kể và tuỳ thuộc vào điều kiện công nghệ Trong các nhà máy này hàm lượng kim loại nặng hiếm khi thấp hơn 10mg/l và có thể đạt tới 1000mg/l Ví dụ như thành phần của nước rửa từ phân xưởng mạ đồng có chứa

2, 8 ÷ 14 mg Cu2+/l; phân xưởng mạ Cd chứa 48 ÷ 240 mg Cd2+

/l; phân xưởng

mạ kẽm chứa 70 ÷ 350 mg Zn2+/l Hiện nay ở nước ta hầu hết nước thải từ các

cơ sở mạ điện đều không được xử lý mà chỉ được pha loãng hoặc thải trực tiếp

ra môi trường Vì vậy ô nhiễm do kim loại nặng là hết sức nghiêm trọng

 Công nghiệp khai khoáng

Các kim loại nặng được phát thải vào môi trường trong suốt các quá trình

từ khai thác đến sản xuất Sản lượng các kim loại được khai thác trên toàn thế giới trong một vài thập kỉ gần đây đang gia tăng mạnh mẽ Hàng năm thế giới khai thác và sử dụng khoảng 10000 tấn thuỷ ngân, khai thác 10000 tấn quặng

để sản xuất khoảng 400 tấn beryl… Đặc biệt việc khai thác kim loại màu tạo ra nguồn nước thải chứa hàm lượng các kim loại nặng khá cao Những nguồn nước này ở các hồ ao, sau đó chảy ra sông suối làm ô nhiễm cả vùng hạ lưu Sự

ô nhiễm các kim loại này còn kéo dài cả khi mỏ đã bị bỏ hoang

 Công nghệ sản xuất các hợp chất vô cơ

Công nghệ sản xuất các hợp chất vô cơ như sản xuất acquy, bột màu, gốm

sứ, thuỷ tinh, thuộc da… đều sử dụng nhiều kim loại nặng độc hại như chì, crôm, thuỷ ngân …

Theo tính toán của các nhà nghiên cứu thì một cơ sở sản xuất xút clo trung bình sử dụng 50 tấn thuỷ ngân trong quá trình vận hành sản xuất Lượng hao hụt ở đây là đáng kể, chưa kể đến những sự cố do rủi ro khác Thuỷ ngân còn sử dụng trong công nghiệp điện như bóng đèn điện, đèn cao áp, pin khô, acquy… Trong các lĩnh vực dân dụng và điều khiển khác như nhiệt kế, rơle…

1.2 Tác dụng sinh hoá của kim loại nặng đối với con người và môi trường

Hầu hết các kim loại nặng tồn tại trong nước ở dạng ion Độc tính của kim loại nặng đối với sức khoẻ con người và động vật đặc biệt nghiêm trọng do sự tồn tại lâu dài và bền vững của nó trong cơ thể và môi trường Ví dụ như chì là một trong những kim loại có khả năng tồn tại khá lâu, ước tính nó được giữ lại trong môi trường với khoảng thời gian 150 – 5000 năm và có thể duy trì ở nồng

độ cao trong 150 năm sau khi bón bùn cho đất Chu trình phân rã sinh học trung bình của cadimi được ước tính khoảng 18 năm và khoảng 10 năm trong

cơ thể con người

Một nguyên nhân khác khiến cho kim loại nặng hết sức độc hại là do chúng có thể chuyển hoá và tích luỹ trong cơ thể con người hay động vật thông qua chuỗi thức ăn của hệ sinh thái Quá trình này bắt đầu với nồng độ thấp của các kim loại nặng tồn tại trong nước hoặc trong cặn lắng rồi sau đó được tích tụ trong các loài thực vật và động vật sống dưới nước rồi luân chuyển dần qua các mắt xích của chuỗi thức ăn và cuối cùng đến sinh vật bậc cao là con người thì nồng độ kim loại nặng đủ lớn để gây ra độc hại như phá huỷ ADN, gây ung thư…

Các kim loại nặng ở hàm lượng nhỏ là những nguyên tố vi lượng hết sức cần thiết cho cơ thể người và sinh vật Chúng tham gia cấu thành các enzym, các vitamin, đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất Ví dụ một lượng nhỏ đồng rất cần cho động vật và thực vật; người lớn mỗi ngày cần khoảng 20mg đồng (đồng là thành phần quan trọng của các enzym như oxidaza, tirozinara, uriaza, ciocrom, oxidaza, và galatoza ) Nhưng khi hàm lượng kim loại vượt quá ngưỡng quy định sẽ gây ra tác động xấu như nhiễm độc mãn tính, thậm chí là ngộ độc cấp tính dẫn đến tử vong

Về mặt sinh hoá các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm –SH và nhóm – SCH3 của các enzym trong cơ thể Vì thế các enzym bị mất hoạt tính làm cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể

1.3 Giới thiệu về nguyên tố Niken [1]

Hình 1.5 Giới thiệu về nguyên tố Niken

Trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học, nguyên tố Niken (Ni) nằm ở ô số 28 thuộc phân nhóm phụ, nhóm 8, chu kỳ 4 giữa Co và Cu Nguyên tử Ni có các obitan d chưa điền đủ 10 electron Cấu hình electron của

>250oC Niken là một trong 4 nguyên tố có tính chất từ ngay

ở nhiệt độ phòng, không bị ăn mòn, do vậy Niken được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp luyện kim tạo hợp kim, mạ, sản xuất tiền xu, nam châm và các vật dụng phổ biến trong gia đình Niken cũng là chất xúc tác cho phản ứng hydro hóa Trong công nghiệp sơn, muối Ni2+ được sử dụng làm bột màu Ngoài ra, Niken là nguyên tố vi lượng cần thiết cho những cơ thể sống vì nó là trung tâm hoạt động của enzym của một số cơ thể sống

Bảng 1.1 Hằng số vật lý quan trọng của Niken

Nhiệt thăng hoa (kJ/mol)

Tỉ khối

Độ cứng (thang moxơ)

Độ dẫn điện

1.3.1 Tính chất hóa học của Niken

Niken là kim loại có hoạt tính hóa học trung bình Ở điều kiện thường nếu không có hơi ẩm, nó không tác dụng rõ rệt ngay với những nguyên tố phi kim điển hình như O2 , S, Cl2, Br2 vì có màng oxit bảo vệ Nhưng khi đun nóng

nó phản ứng mãnh nhiệt, nhất là khi Niken ở trạng thái chia nhỏ

 Niken tác dụng với phi kim

Khi đun nóng ,trong không khí Niken bắt đầu tác dụng ở to

> 500o C

Ni + O2 → NiO Niken bền với flo ở nhiệt độ cao hay ở nhiệt độ nóng đỏ

Niken tác dụng với nitơ ở nhiệt độ không cao lắm

Ni + N2 → Ni3N2Niken tác dụng trực tiếp với khí CO tạo thành cacbonyl kim loại, bền với kiềm ở trạng thái dung dịch và nóng chảy

Niken tác dụng với S khi đun nóng nhẹ tạo nên nhưng hợp chất không hợp thức có thành phần gần với NiS Sự có mặt của S làm giảm chất lượng của thép nên phải loại trừ khi luyện thép

 Niken tác dụng với axit tạo muối và giải phóng H2.

Ni + HCl → NiCl2 + H2

 Niken tinh khiết bền đối với không khí và nước Người ta dùng Niken để mạ ngoài các đồ bằng kim loại

1.3.2 Tính chất và sự phân bố Niken trong môi trường

Hàm lượng Niken trong vỏ trái đất chiếm khoảng 0,015% Trong tự nhiên,

nó thường tồn tại ở trạng thái hoá trị II với lưu huỳnh và hỗn hợp với ôxit silic (SiO2), asen, antimon Khoáng vật quan trọng của Niken là garnierit và pendlranit Trong than đá và một số trầm tích cũng có chứa một hàm lượng nhỏ Niken

Khoảng 60 - 70 % lượng Niken được sử dụng để phủ lên bề mặt kim loại khác hay chế tạo hợp kim Niken kim loại được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng hoá học Hợp chất Niken được sử dụng trong công nghệ mạ Hàm lượng Niken trong đất có thể đạt 5 – 50 mg/kg Trong nước thiên nhiên hàm lượng Niken thường nhỏ hơn 0,02mg/l Trong nước sinh hoạt do quá trình hoà tan Niken từ các thiết bị nên hàm lượng Niken có thể đạt 1mg/l Trong thức ăn hàng ngày cũng có chứa Niken, lượng xâm nhập vào cơ thể từ 0,1 - 0,3mg/ngày Nước thải của công nghiệp mạ điện chứa Niken với hàm lượng khá lớn Bụi, khí thải của các cơ sở sử dụng than đá cũng có chứa Niken, sau đó nó được lắng đọng xuống đất và tích tụ trong nước mặt

Độ hoà tan của muối Niken nhìn chung khá cao, khả năng thuỷ phân thấp,

độ hoà tan tối thiểu nằm trong vùng pH = 9 Niken là kim loại có tính linh động cao trong môi trường nước, có khả năng tạo phức bền với các hợp chất hữu cơ

tự nhiên và tổng hợp Nó được tích tụ trong các chất sa lắng, trong cơ thể thực vật bậc cao và một số loại thuỷ sinh

1.3.3 Độc tính của Niken [2], [12]

Niken là một trong những chất gây ô nhiễm được xếp thứ tự độc hại là

129, và được coi là một trong 14 kim loại nặng độc hại nhất Niken cũng được liệt kê trong số 25 hóa chất độc hại có nguy cơ đe dọa lớn với sức khỏe con người Niken gây ung thư cho con người, làm kìm hãm sự phát triển của cây và ảnh hưởng đến môi trường, không khí, đất, nước

Đối với một số gia súc, thực vật, vi sinh vật Niken được xem như là nguyên tố vi lượng, còn đối với cơ thể người điều này chưa rõ ràng Người ta chưa quan sát thấy hiện tượng ngộ độc Niken qua đường tiêu hoá từ thức ăn và nước uống Tiếp xúc lâu dài với Niken gây hiện tượng viêm da và có thể xuất hiện dị ứng ở một số người Ngộ độc Niken qua đường hô hấp gây khó chịu, buồn nôn, nếu kéo dài sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận Kim loại và các hợp chất vô cơ của Niken xâm nhập qua đường hô hấp có thể gây bệnh kinh niên Hợp chất Nikencacbonyl có độc tính cao (hơn khí CO

100 lần ) Những nghiên cứu đã cho thấy độc tính đặc biệt cao của

Nikencacbonyl thể hiện dưới dạng hạt nhỏ, mịn lắng đọng trong phổi Ở điều kiện ẩm của dịch phổi gây kích ứng sưng huyết và phù nề phổi

Giá trị giới hạn cho phép theo TCVN 5945-1995 của Niken trong nước thải công nghiệp là 0,2 mg/l đối với loại A, 1,0 mg/l đối với loại B và 2,0 mg/l đối với loại C

1.3.4 Giới hạn cho phép của Niken trong các loại nước [4], [5], [6]

Theo quy chuẩn Việt Nam, giá trị giới hạn cho phép của Niken trong nước

bề mặt và nước thải được đưa ra ở bảng 1.1 và bảng 1.2 tương ứng

Bảng 1.2 Giá trị nồng độ giới hạn cho phép của Niken trong nước bề

-Cột B1 dùng cho mục đích tưới tiêu thủy lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự hoặc các mục đích sử dụng như loại B2

Cột B2 giao thông thủy và các mục đích khác với yêu cầu chất lượng nước thấp

Bảng 1.3 Giá trị nồng độ giới hạn cho phép của Niken trong nước thải (QCVN

24:2009/BTNMT)

Trong đó:

-Cột A quy định giá trị nồng độ của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả thải vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt

-Cột B quy định giá trị nồng độ của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả thải vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt

1.3.5 Tình hình nghiên cứu xác định hàm lượng Niken ở trong và ngoài nước [14]

Tác hại của Niken đối với con người và sinh vật là rất lớn, vì vậy việc nghiên cứu, kiểm soát đánh giá mức độ nguy hiểm và nguy cơ tiềm ẩn từ Niken đang được toàn thế giới và Việt Nam chú trọng quan tâm

Ước tính khoảng 8% lượng Niken hiện có được sử dụng cho đồ dùng gia đình (IPCS, 1991) Nồng độ Niken trong khí quyển ở vùng hẻo lánh là trong khoảng 1,0-3,0 μg/m, ở nông thôn và đô thị khoảng 5-35 μg/m Theo ước tính, Niken được tiếp xúc qua đường hô hấp là 0,2-1,0 μg/ngày tại các khu vực đô thị

và 0,1-0,4 μg/ngày tại các khu vực nông thôn (Bennett, 1984) Thành phần chính trong khói thuốc lá chứa khoảng 0,04-0,58 μg của Niken (IARC, 1990) Nồng độ Niken trong nước ngầm phụ thuộc vào việc sử dụng đất, độ pH của đất và độ sâu lấy mẫu Nồng độ trung bình trong nước ngầm ở Hà Lan dao động trong phạm vi

từ 9 μg/l (vùng đô thị) tới 16,6 μg/l (vùng nông thôn) Mưa axit làm tăng tính di động của Niken trong đất và do đó có thể làm tăng nồng độ Niken trong nước ngầm (IPCS, 1991) Trong nước ngầm (có pH dưới 6,2), nồng độ Niken lên đến

980 μg/l đã được phát hiện (RIVM, 1994) Tại Canada, hàm lượng Niken trung bình trong các nguồn nước dùng làm nước uống đã được phát hiện trong phạm vi

2 μg/l; mức tối đa quan sát được 69 μg/l Trong nước uống ở Mỹ, 90% của tất cả các mẫu (n=2503) chứa < 10 μg/l và 97% có nồng độ Niken <20 μg/l (ATSDR, 1996) Tại Châu Âu, theo báo cáo nồng độ Niken trong nước uống nói chung dưới 10 μg/l (IPCS, 1991) Đan Mạch và Phần Lan, hàm lượng Niken mức dưới

1 μg/l đã được xác nhận (Punsar et al, 1975; Gammelgaard & Andersen, 1985)

Niken tăng nồng độ trong nước ngầm và đô thị vòi nước (100-2500 μg/l) tại các khu vực bị ô nhiễm và các khu vực, trong đó Niken thiên nhiên đã được huy động đã được báo cáo (McNeely et al, 1972); Hopfer et al., 1989) Một số nguyên vật liệu inox cũng đã được xác định là nguồn gốc của Niken tăng Nồng

độ Niken trong nước khoáng đóng chai sẽ phụ thuộc vào nguồn và bất kỳ công nghệ được áp dụng Mức Niken trong một lựa chọn nước khoáng đóng chai dưới đây được giới hạn phát hiện 25 μg/l (Allen et al., 1989) Niken các cấp trong thực phẩm nói chung là trong phạm vi 0,01-0,1 mg/kg, nhưng cũng có những biến đổi lớn (Booth, 1990; Jorhem & Sundstrom, 1993; Dabeka & McKenzie, 1995) Cao hơn mức trung bình của Niken (0,1-0,4 mg/kg) đã được tìm thấy trong đậu và lúa mỳ, cám (Smart & Sherlock, 1987; Jorhem & Sundstrom, 1993 Thép không gỉ đồ dùng nấu ăn (ví dụ: lò nướng, chảo, chảo rang ) đã đóng góp đáng kể đến các cấp độ của Niken trong thực phẩm nấu chín, đôi khi vượt quá 1mg/kg thịt (Dabeka & McKenzie, 1995) Khi thực phẩm giàu Niken được ăn, việc tiêu thụ hằng ngày 0,25 mg/ngày (khoảng 0,07- 0,48 mg/ ngày) (Veien & Andersen, 1986)

Ở Việt Nam, một số giếng nước gần khu công nghiệp tại Thủ Đức- Tp

Hồ Chí Minh có dấu hiệu nhiễm kim loại nặng chủ yếu là là Asen và Niken Còn ở Hải Dương công ty TNHH Omic được “xếp hạng” là một trong 5 doanh nghiệp gây ô nhiễm nghiêm trọng của tỉnh Hải Dương Với hơn 10 chỉ tiêu được phân tích đánh giá, hầu hết hàm lượng của các kim loại nặng nguy hại như: Niken (Ni), Cadimi (Cd) và các ion axit như: Flo, P tổng số (Pt), SO4

có nhiều ưu điểm nên chúng tôi đã đề xuất phương pháp hấp phụ để xử lý kim loại nặng trong nước

1.4.2 Đặc điểm của hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Có thể là hấp phụ đơn lớp, đa lớp Chỉ là hấp phụ đơn lớp

-Tốc độ: không đòi hỏi sự hoạt hóa

phân tử nên xảy ra nhanh

Tốc độ: đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử nên xảy ra chậm

Xảy ra ở nhiệt độ thấp Xảy ra ở nhiệt độ cao

Lượng nhiệt tỏa ra trong khoảng từ 2

đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ di chuyển ngược lại pha mang (giải hấp) thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng

Tải trọng hấp phụ cân bằng: biểu thị khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng dưới các điều kiện nồng

độ và nhiệt độ cho trước

Phương trình: q = (Ci – Cf ) V/m Trong đó:

V: thể tích dung dịch (ml) m: khối lượng chất hấp phụ (g)

Ci nồng độ dung dịch ban đầu (ppm)

Cf: nồng độ cân bằng trong dung dịch (ppm)

1.4.4 Các mô hình hấp phụ

Ở trạng thái cân bằng, tốc độ hấp phụ và tốc độ giải hấp là như nhau Nồng độ chất tan ở trạng thái này gọi là nồng độ cân bằng Có nhiều phương trình được đưa ra để mô tả sự hấp phụ đẳng nhiệt, điển hình nhất là phương trình hấp phụ Langmuir và Frerndlich

1.4.4.1 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Một trong những phương trình đẳng nhiệt đầu tiên xây dựng trên cơ sở

lý thuyết là của Langmuir (1918) Tiền đề để xây dựng lý thuyết, tức là các giả thuyết gồm:

- Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lượng

- Trên bề mặt chất rắn chia ra từng vùng nhỏ, các tâm hoạt động mỗi vùng chỉ tiếp nhận một phân tử chất bị hấp phụ Trong trạng thái bị hấp phụ các phân tử trên bề mặt chất rắn không tương tác với nhau

- Quá trình hấp phụ là động, tức là quá trình hấp phụ và giải hấp phụ có tốc độ bằng nhau khi trạng thái cân bằng đã đạt được Tốc độ hấp phụ

tỉ lệ với các vùng chưa bị chiếm chỗ (tâm hấp phụ), tốc độ giải hấp phụ tỉ lệ thuận với các tâm đã bị chất bị hấp phụ chiếm chỗ

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir:

q = qmax f

C.b1

C.b



q: Tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng

qmax: Tải trọng hấp phụ cực đại

b: Hằng số

Khi tích số b.Cf  1 thì q = qmax.b.Cf: mô tả vùng hấp phụ tuyến tính

Khi tích số b.Cf  1 thì q = qmax : mô tả vùng hấp phụ bão hòa

Để xác định các hằng số trong phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

có thể sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách chuyển phương trình trên thành

phương trình đường thẳng:

q

Cf =

max

q

1.Cf +

bq

1

max

1.4.4.2 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Frendlich

Đây là phương trình thực nghiệm có thể sử dụng để mô tả nhiều hệ hấp

phụ hóa học hay vật lý Phương trình này được biểu diễn bằng một hàm mũ:

q = k.C1/n Trong đó:

k: Hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác n: Hằng số chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1

Phương trình Freundlich phản ánh khá tốt số liệu thực nghiệm cho vùng ban đầu và vùng giữa của đường hấp phụ đẳng nhiệt, tức là ở vùng nồng độ thấp của chất bị hấp phụ

Dựa vào đồ thị ta xác định được các giá trị k và n

lgq

M

Cf(mg/l)0

1.5 Tổng quan về xơ dừa [13]

Trên thế giới, việc nghiên cứu kỹ thuật chế tạo và sử dụng vật liệu hấp phụ tự nhiên để tách loại kim loại loại nặng từ các nguồn nước bị ô nhiễm đã phát triển trong những năm gần đây Vật liệu hấp phụ chế tạo từ nguồn tự nhiên như vỏ trấu, bã mía, lõi ngô, bã chè, vỏ đậu, rau câu, bèo, rơm… hầu hết đều

có khả năng tách loại, thu hồi tốt các kim loại nặng, giá thành tốt Tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu hấp phụ đối với các kim loại này nằm trong khoảng từ trên dưới 10 mg/g cho đến vài chục mg/g Các vật liệu hấp phụ này đều thích hợp cho việc hấp phụ các kim loại nặng trong khoảng nồng độ thấp nhỏ hơn 10 mg/l Chúng đều có khả năng tái sinh để có thể sử dụng lại sau khi

β

đã hấp phụ bão hòa Việc tạo ra các vật liệu hấp phụ này đều không phức tạp lắm, có thể sản xuất đại trà

Tuy nhiên, trong 4 loại vật liệu hấp phụ trên thì vỏ trấu và rong tảo biển là các loại vật liệu có độ bền cơ học thấp Vỏ trấu lại nhẹ và khá cồng kềnh, còn rong tảo biển cũng khó kiếm nên khả năng ứng dụng với quy mô công nghiệp

bị hạn chế Hai loại vật liệu là than bùn và xơ dừa là các vật liệu tự nhiên dễ kiếm, độ bền cơ cao, dễ dàng xử lý, chế biến trong quá trình hấp phụ các kim loại nặng trong nước thải công nghiệp

Tải trọng hấp phụ cực đại của bentonit cao hơn xơ dừa Dừa được trồng nhiều ở miền nam Việt Nam Cây dừa, từ gốc đến ngọn đều mang lại giá trị kinh tế cho người trồng Ngày nay, việc tận dụng gáo dừa để sản xuất than hoạt tính đã mang lại một nguồn thu không nhỏ cho người nông dân Nếu sử dụng

xơ dừa làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng thì giá thành sẽ thấp Vì vậy, trong nghiên cứu này xơ dừa được chọn để làm vật liệu hấp phụ

Gáo dừa, sọ dừa được thu mua từ các cơ sở chế biến cơm dừa, được cạo sạch xơ, đưa vào đốt trong các lò kín, được xịt hơi nước hoặc axit để tăng tối

đa khả năng hấp phụ Sau khi ra lò, than gáo dừa được phân loại theo kích thước phù hợp với các ứng dụng thực tế Than làm từ gáo dừa có cấu trúc mao mạch rỗng nhiều hơn và nhỏ hơn loại làm từ than đá Chính vì thế nó vừa có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều, vừa lọc được những hạt nhỏ hơn Hơn nữa, do cứng hơn than đá nên than gáo dừa có độ ổn định, ít bị vỡ, ít tạo bụi hơn rất nhiều Hầu hết các ứng dụng đang dùng than hoạt tính từ than đá đều có thể chuyển qua dùng than gáo dừa Than gáo dừa thích hợp với nguồn nước có chỉ số TOC ( tổng cacbon hữu cơ) thấp Trong lọc khí-hơi, than hoạt tính gáo dừa cũng có ưu thế hơn khi hấp phụ các chất hữu cơ bay hơi, nhất là các chất hữu cơ có phân tử lượng nhẹ Nhưng cũng có những trường hợp than hoạt tính gáo tác dụng kém hơn than đá, ví dụ như khi xử lý nước mặt có TOC cao, xử lý nước thải, khử màu Than hoạt tính từ than đá có hiệu quả hơn khi

xử lý chất hữu cơ có phân tử lượng nặng hơn

1.6 Các phương pháp xác định vi lượng Niken [1], [9], [7]

1.6.1 Phương pháp khối lượng

Trong môi trường ammoniac, Niken tạo với Dimetylglioxim thành hợp chất màu đỏ, không tan trong nước Hợp chất này có thành phần không đổi sau khi lọc và sấy ở nhiệt độ 110-1200

tránh cho chúng tạo kết tủa với ammoniac

Nếu mẫu có xianua thì trước khi phân tích cần loại trừ bằng cách thêm vào 5 ml HNO3 đặc và 0,5 ml H2SO4 (1:1), đun cho đến khi bốc khói trắng (phản ứng được thực hiện trong tủ hút) Hòa tan bã trong nước rồi kết tủa Niken bằng Dimetylglyoxim

bỏ kết tủa

Cromat và bicromat được loại bỏ bằng cách khử xuống Cr (III) bằng vài giọt rượu etylic sau khi đã axit hóa mẫu bằng axit sunfuric (nếu trong dung dịch chỉ có Cr (III) không có CrO4

và Cr2O72- thì không cần giai đoạn này) Sau đó kết tủa Cr (III) bằng dung dịch amoniac loãng (1:4), lọc bỏ kết tủa Đồng được loại bỏ bằng cách axit hóa mẫu bằng HCl đến pH=2, sau đó sục khí H2S dư để kết tủa hết ion Cu2+

1.6.3 Phương pháp cực phổ

Trong nền đệm NH4OH 1M và NH4Cl 1M, trên điện cực giọt thủy ngân

Ni2+ bị khử đến Niken kim loại, thế bán sóng ứng với sự dịch chuyển 2 electron bằng 1,09V so với điện cực calomen bão hòa Tùy theo hàm lượng Niken có trong dung dịch mà sử dụng các điều kiện phân tích khác nhau Độ chính xác của phép xác định đạt từ 1% đến 5% tùy thuộc vào hàm lượng Niken, yếu tố ảnh hưởng do các chất cản có mặt trong mẫu cũng như cách xử lý mẫu Trong điều kiện trên, ta có thể xác định đồng thời cả Cu2+

Zn2+ bị khử ở thế âm hơn Ni2+ nên khi trong mẫu có một lượng lớn kẽm nó

sẽ thu ngắn phần trên sóng cực phổ của Ni2+ Cũng như đồng, ta có thể dùng xianua để che Zn2+

Khi nồng độ ion Nitrat trong dung dịch phân tích lớn nó sẽ làm mất phần trên sóng cực phổ của Ni2+ Trong nền amoniac, ảnh hưởng này bị loại nhưng trong môi trường xianua ảnh hưởng này rất lớn Nếu trong mẫu có một lượng lớn nitrat (>500mg/l) thì ta phải cô mẫu với 0,5 ml H2SO4 (1:1) đến khi bốc khói trắng, sau đó hòa tan bã rồi tiến hành phân tích

Nếu trong mẫu có chứa một lượng lớn các chất hữu cơ nó sẽ ảnh hưởng đến sóng cực phổ của Niken Khi đó ta phải vô cơ hóa mẫu như khi phân tích đồng

Sắt, Bitmut, Thiếc, Antimon và Mangan không ảnh hưởng đến phép xác định vì trong môi trường amoniac các nguyên tố này bị kết tủa dưới dạng

hidroxit Khi lượng kết tủa nhiều để tránh sai số nên dùng phương pháp thêm

để xác định Niken

1.6.4 Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử

Mỗi nguyên tố đều có những vạch phổ nhạy đặc trưng Khi chiếu một chùm tia sáng có bước sóng nhất định vào đám hơi nguyên tử, các nguyên tử tự

do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với những tia bức

xạ mà nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ Phổ phát xạ trong quá trình này

là phổ hấp thụ nguyên tử

Để xác định Niken bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử người ta sử dụng đèn catốt rỗng và tiến hành như sau: lấy 200ml mẫu cho vào cốc 400 ml Cho vào mỗi cốc 1ml dung dịch HNO3 1:1, lắc đều rồi chuyển vào ống nghiệm định mức đến 20ml Đem đo hàm lượng Niken bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử

1.7 Giới thiệu về phương pháp UV-VIS [7]

1.7.1 Giới thiệu phương pháp trắc quang phân tử UV – VIS

Đây là phương pháp dựa trên sự so sánh cường độ màu của dung dịch nghiên cứu với cường độ màu của dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ xác định

Cơ sở lý thuyết của phương pháp là định luật Lambert – Beer:

C: nồng độ dung dịch, đo bằng mol/l

Cuvet đựng dung dịch

Detectơ Chỉ thị

kết quả

Hình 1.10 Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang

1.7.2 Các điều kiện tối ưu của một phép đo quang

1.7.2.1 Tính đơn sắc của bức xạ điện từ

Do tính chất đặc trưng của các chất màu chỉ hấp thụ những bức xạ đơn sắc

có bước sóng thích hợp nên định luật Lambert-Beer chỉ đúng khi dùng ánh sáng đơn sắc để nghiên cứu Các máy đo quang cần có thiết bị để cung cấp được dải sóng tập trung quanh một bước sóng nhất định hay ánh sáng phải là ánh sáng đơn sắc

Định luật LamBert-Beer không còn đúng với ánh sáng đa sắc vì các đại lượng Dmax thường không còn đúng với ánh sáng đa sắc vì các đại lượng Dmax thường không bằng nhau Hệ số tắt phân tử có thể thay đổi rất nhiều tùy theo độ dài của bức xạ điện từ đi qua dung dịch đo, do đó cần xác định chính xác λmax.

1.7.2.2 Bước sóng tối ưu – bước sóng cực đại λ max

Phổ hấp thụ là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc gữa mật độ quang và bước sóng λ Mỗi dung dịch màu đều hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng khác nhau Tuy nhiên trong số đó có một giá trị λ mà sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu là cực đại ta gọi là λmax.

1.7.2.3 Khoảng tuyến tính của định luật Lambert – Beer

Nồng độ của chất màu lớn ở những nồng độ cao (thường > 0.01 M) thì khoảng cách trung bình giữa các phần tử chất hấp thụ bị giảm đi đến mức mỗi