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 -P

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 Zn 2+ và Fe 2+ 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

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)

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 Nồng độ các kim loại nặng sau khi xử lý bằng -PGM qua các

3.2 Nồng độ các kim loại nặng sau khi xử lý bằng -PGM qua các

3.3 Nồng độ các kim loại nặng sau khi xử lý qua các mẫu nước thải

3.4 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rửa axit của nhà máy Cơ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu

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

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

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

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

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 Mục tiêu nghiên cứu

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

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

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

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

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) 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

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

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]

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]

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fe2+ 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

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

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

b Ưu, nhược điểm của phương pháp

Ưu điểm: thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao, diện tích bề mặt riêng của sinh khối lớn và giá thành thấp

Nhược điểm: cần diện tích mặt bằng rất lớn và sinh khối phát sinh ra sẽ chứa toàn kim loại nặng khó xử lý

1.3 Tổng quan về hạt γ-PGM

Hạt Poly glutamic acid coated magnetite nanoparticles hay còn gọi là hạt Fe3O4 phủ PGA (viết tắt là γ-PGM) được tạo thành từ 2 thành phần chính: γ-PGA và Fe3O4 bằng cách phủ γ-PGA lên hạt từ tính Fe3O4

γ-1.3.1 Gamma poly glutamic acid (γ-PGA)

Poly gamma glutamic acid (γ-PGA) là một polymer tự nhiên, mang điện tích âm

có các đơn phân là acid L-glutamic hay acid D – glutamic hoặc chứa cả hai đơn phân trên liên kết với nhau bằng mối liên kết giữa nhóm γ-carboxyl và nhóm a-amino Khả năng tham gia phản ứng hóa học với nhóm α-NH2 của nhóm α-COOH và γ-COOH theo thứ tự giảm dần theo mạch Thông thường, α-NH2 liên kết với γ-COOH tạo nên liên kết γ-peptid, tạo ra sản phẩm là γ -PGA

Gamma poly glutamic acid (γ-PGA) có tính chất của một polymer, nó có thể được tạo ra bằng phương thức tổng hợp hóa học hoặc sử dụng vi sinh vật có khả năng tổng hợp polymer từ quá trình sinh trưởng và phát triển Bản chất γ-PGA là một polymer có khả năng phân hủy, không độc với con người nên γ-PGA đang được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực Trong ngành công nghiệp xử lý môi trường γ-PGA được

sử dụng làm chất kết tụ, hỗ trợ quá trình lắng, thay thế dần các chất kết tụ có nguồn gốc hóa học Trong công nghiệp sản xuất thực phẩm γ-PGA được sử dụng như một dạng phụ gia ổn định chất lượng sản phẩm, trong y dược γ-PGA được dùng như các chất mang, chất giữ ẩm [25]

Hình 1.12 Cấu trúc hóa học của γ-PGA

1.3.2 Hạt từ tính (Fe 3 O 4 )

Hạt từ tính có từ tính tương đối tốt, MS = 90 emu/g, mặt khác các hạt nano từ tính

Fe3O4 thì rất thân thiện với môi trường và có tính tương hợp sinh học cao Phương pháp chế tạo hạt nano từ tính tương đối đơn giảm chi phí thấp và các hạt nano từ tính Fe3O4

cũng tương đối ổn định trong nhiều môi trường, có khả năng tái sử dụng Ngày nay có rất nhiều vật liệu có tính sắt từ được ứng dụng rộng rãi như: kim loại chuyển tiếp, đất hiếm, các hợp kim (Fe – Si, Fe – Ni )

Hình 1.13 Cấu trúc hóa học của Fe 3 O 4 Hình 1.14 Sắt từ

Một trong những ứng dụng quan trọng của hạt nano sắt liên quan đến môi trường

là khả năng xử lý nước thải nhiễm asen (As) Ngoài ra, các hạt nano từ tính được biết đến với nhiều ứng dụng trong y sinh học bởi các tính chất từ và kích thước nhỏ hơn so với các thực thể sinh học như các tế bào (10 – 100 μm), các virus (20 – 450 nm) và các protein (5 – 50 nm) Với khả năng được điều khiển bằng từ trường ngoài, các hạt nano

từ tính được dùng cho các mục đích như phân tách, chọn lọc tế bào phân tách - một loại

tế bào đặc biệt nào đó ra khỏi các tế bào khác [23] Dẫn truyền thuốc đến một vị trí nào

đó trên cơ thể người hoặc động vật là một trong những ví dụ về ứng dụng của hạt nano Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano có tính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các vị trí mong muốn đưa đến hay các ứng dụng khác như phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ trong tế bào ung thư, cũng như tăng độ tương phản trong kĩ thuật hình ảnh cộng hưởng từ và sensor [26]

1.3.3 Hạt từ tính Fe 3 O 4 phủ gamma poly glutamic acid (γ-PGM)

Hạt vật liệu được cấu tạo từ hai bộ phận chính là hạt sắt từ tính Fe3O4 và gamma poly glutamic acid (γ-PGA)

Sự kết hợp hạt từ tính và hạt γ-PGA thành vật liệu mới γ-PGM không những có những ưu điểm của các hạt thành phần mà còn khắc phục hạn chế của chúng là: khả năng trao đổi gốc cation trong nhóm cacboxylic trên hạt PGA; khả năng hấp phụ vật lý các hạt dạng keo và mạng polymer ba chiều; mang từ tính nên dễ dàng thu hồi γ-PGM sau khi sử dụng Đặc biệt, thời gian xử lý và thu hồi vật liệu nhanh là ưu điểm nổi bật nhất của γ-PGM bằng cách sau khi xử lý, nam châm được sử dụng để thu hồi vật liệu mang từ tính trong nước

Vì vậy, vật liệu γ-PGM đã được các nhà khoa học tại Việt Nam nghiên cứu, tổng hợp và ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu khả năng loại bỏ kim loại nặng trong nước thải Đây là phương pháp có thể ứng dụng khi thu hồi kim loại quý trong nước

Hình 1.15 Cấu trúc của hạt γ-PGM Hình 1.16 Vật liệu γ-PGM

γ-PGM được áp dụng nhiều trong xử lý kim loại nặng như Pb, Cd, Cr, Cu, Zn, Ni… trong nước thải công nghiệp và nước thải dệt nhuộm Các bài báo, luận văn liên quan [8, 14,

17, 18, 29, 30]

1.4 Tổng quan về nhà máy Cơ khí - Mạ Đà Nẵng

1.4.1 Quy mô hoạt động của cơ sở

a Vị trí địa lý của nhà máy

Nhà máy Cơ khí - Mạ thuộc Công ty Cổ phần Cơ khí - Mạ Đà Nẵng đặt tại lô đất

số B – 10 và B – 11, Cụm công nghiệp Thanh Vinh mở rộng, xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng

Lô đất B – 10 có diện tích là 4.231 m2 Lô đất B – 11 có diện tích là 5.050 m2 Như vậy, tổng diện tích đất của nhà máy là: 9.281 m2

Hình 2.1 Bản đồ vị trí và hình ảnh về nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

Ranh giới Nhà máy như sau:

+ Phía Đông Bắc giáp: công ty TNHH Transcend Việt Nam

+ Phía Tây Bắc giáp: công ty thép Thái Bình Dương

+ Phía Đông Nam giáp: đường số 01 cụm công nghiệp Thanh Vinh mở rộng nhánh N4 – N3

+ Phía Tây Nam giáp: đường số 01 cụm công nghiệp Thanh Vinh mở rộng nhánh N4 – N6

b Các đối tượng xung quanh nhà máy

Các đối tượng tự nhiên: cách nhà máy khoảng 5 km về hướng Bắc là sông Cu Đê Các đối tượng kinh tế - xã hội:

+ Khu dân cư: nhà máy được triển khai tại Cụm công nghiệp Thanh Vinh mở rộng thuộc xã Hòa Liên và Hòa Sơn, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng nên không gần khu dân cư

+ Các cơ sở sản xuất: xung quanh khu vực nhà máy có các cơ sở công nghiệp như Công ty thép Thái Bình Dương, Công ty TNHH Transcend Việt Nam

+ Công trình di tích lịch sử văn hóa: không có công trình di tích lịch sử văn hóa gần khu vực nhà máy

c Những sản phẩm do nhà máy gia công và mạ kẽm

Sản phẩm chính: các cấu kiện cơ khí của hệ thống cung cấp điện, thông tin, khí tượng thủy văn (cột điện cao, trung và hạ thế, cột điện chiếu sáng, viba, truyền hình, phụ kiện đường dây, trạm biến áp…), trong đó chủ yếu là các loại trụ lắp ghép, xà đỡ và các phụ kiện, chiếm khoảng 80 – 90 % sản lượng của nhà máy

Sản phẩm phụ: bao gồm các cấu kiện thép trong ngành công nghiệp hóa dầu, khí đốt, giao thông, xây dựng dân dụng và công nghiệp như khung nhà tiền chế, tấm hộ lan, dầm cầu… Tỷ trọng sản phẩm phụ được xác định linh hoạt tại từng thời điểm sản xuất của nhà máy với mục đích tận dụng công nghệ, trang thiết bị hiện có, cũng như lao động… để tăng hiệu quả sản xuất kinh doanh trong trường hợp sản lượng sản phẩm chính không sử dụng hết công suất

Sản phẩm của nhà máy sản xuất ra đạt chất lượng cao phù hợp với tiêu chuẩn chất lượng Việt Nam và tiêu chuẩn chất lượng quốc tế Các sản phẩm của Nhà máy sẽ được sản xuất theo thiết kế và đơn đặt hàng Tùy theo yêu cầu từng đơn đặt hàng mà nhà máy

sẽ đảm nhiệm toàn bộ hoặc một phần công việc gia công, chế tạo sản phẩm

1.4.2 Công nghệ sản xuất/ vận hành [4]

a Quy trình công nghệ chế tạo cấu kiện thép

* Thuyết minh quy trình công nghệ:

Nguyên liệu sau khi thu mua hoặc hợp đồng gia công các sản phẩm cũ của khách hàng được vận chuyển về xưởng cơ khí, sau đó tiến hành gia công, cắt bằng khí acetylen hoặc bằng máy cắt hiện đại Quy trình này phát sinh lượng lớn bụi, phôi thép, ngoài ra gia công gây ra tiếng ồn rất lớn Sau đó, sản phẩm sẽ qua công đoạn đột, khoan lỗ, vát mép, vát cạnh Các chi tiết này sẽ được lắp ghép với nhau bằng công đoạn hàn ghép, kiểm tra, làm sạch mối hàn để tạo hình thành phẩm Lúc này sẽ phát sinh tiếng ồn, lượng bụi và khói thuốc hàn rất nhiều Đối với các cấu kiện là thép có kích thước và khối lượng lớn, đòi hỏi độ chính xác gia công cao thì chúng được gia công trên các máy chuyên dụng có hệ điều khiển CNC Các cấu kiện nhỏ còn lại được gia công trên các máy thông thường Bán thành phẩm tại công đoạn này sẽ tiếp tục được đưa qua phân xưởng mạ để hoàn thiện thành sản phẩm Như vậy, quy trình chế tạo cấu kiện thép không tạo ra nước thải sản xuất mà chỉ tập trung chủ yếu vào chất thải rắn như phôi thép, bụi, khói thuốc hàn và tiếng ồn

Hình 1.17 Sơ đồ công nghệ chế tạo cấu kiện thép

b Quy trình công nghệ mạ kẽm

* Thuyết minh quy trình công nghệ:

Mạ kẽm nhúng nóng là phương pháp chống ăn mòn thép rất hiệu quả bằng cách phủ một lớp kẽm lên bề mặt của thép Lớp kẽm bao phủ bề mặt của thép có tác dụng ngăn cách sự tiếp xúc của thép với không khí chống lại sự rỉ sét của thép và lớp phủ này

sẽ trở thành lớp bảo vệ âm cực do độ âm điện cao nhiều hơn so với thép

Quy trình mạ có thể điều chỉnh để phủ lên hầu hết các loại sản phẩm và các loại cấu kiện thép các ngành, các sản phẩm được chế tạo tại nhà máy hoặc các sản phẩm

được chế tạo và sản xuất từ các nhà máy khác như dây dẫn, thép định hình, chi tiết máy

và cấu kiện các ngành công nghiệp khác

Hình 1.18 Quy trình công nghệ mạ kẽm

Các công đoạn chính của quá trình được thực hiện qua các bước như sau:

- Tẩy nhờn: công đoạn này chỉ thực hiện đối với các vật liệu bị dầu mỡ và tạp

chất bám bẩn tạp chất (khoảng 1 – 2 % tổng lượng sản phẩm được mạ tại nhà máy, hiện nay nhà máy không nhận gia công các sản phẩm có chứa dầu mỡ)

- Rửa sạch: mục đích rửa sạch kiềm và váng dầu mỡ khỏi chi tiết, để không trung

hòa khi mang qua bể axit (nhà máy không hoạt động bể này do không có giai đoạn tẩy nhờn)

- Tẩy rỉ: mục đích là tẩy phần rỉ sét trên bề mặt vật liệu Bể này là dung dịch acid

clohydric (HCl nồng độ 15 – 20 %) và được cho vào một lượng nhỏ chất phụ gia có tác dụng kiềm hãm axit ăn mòn nền thép và hạn chế axit bay hơi

- Rửa sạch: mục đích là rửa sạch axit và clorua sắt hình thành trong quá trình tẩy

rỉ khỏi chi tiết

- Trợ dung: vật liệu sau khi được tẩy rỉ sẽ tiếp xúc với không khí dễ tạo nên lớp

oxy hóa trên bề mặt gây ảnh hưởng xấu đến độ bám và chất lượng lớp mạ Để bảo vệ bề mặt chi tiết không bị oxy hóa (rỉ sét) lại trong quá trình sấy và tăng mức độ thấm ướt của kẽm lên bề mặt chi tiết khi mạ nhúng, các vật liệu sau khi tẩy rỉ được ngâm trong

bể trợ dung có chứa dung dịch NH4Cl và ZnCl2 từ 1 – 2 giờ

- Sấy khô: tiếp theo vật liệu đưa qua công đoạn sấy khô bằng cách để các chi tiết

trên bề mặt bể nhúng kẽm nóng để tận dụng nhiệt sấy bề mặt chi tiết, mục đích sấy là làm cho chi tiết bốc hơi nước và bước sấy khô còn nhằm mục đích gia nhiệt sơ bộ cho chi tiết trước khi chuyển sang nhúng kẽm

- Mạ kẽm: tại công đoạn này, các chi tiết sau khi đã được chuẩn bị sẵn sàng sẽ

được nhúng vào dung dịch kẽm nóng chảy để tạo nên lớp bảo vệ ăn mòn, chúng thường

là lớp hợp kim với lớp kẽm nguyên chất ngoài cùng Kẽm nóng chảy có thành phần như sau: Zn > 99 %, Al < 0,0035 %, Pb < 0,211 %, Ni < 0,7855 % Khi nhúng các sản phẩm sắt vào kẽm nóng chảy, do quá trình khuếch tán tương hỗ của kẽm với bề mặt sắt sẽ tạo thành lớp hợp kim sắt – kẽm bám tốt Quá trình tạo các lớp kim loại phụ thuộc vào nhiệt

độ kẽm nóng chảy, thời gian nhúng, thành phần hóa học của kẽm nóng chảy và bản chất vật liệu cũng như trạng thái bề mặt của sản phẩm nhúng Khi tăng nhiệt độ, sự khuếch tán vào thép sẽ thuận lợi hơn và khi nhiệt độ cao hơn 460 0C thì chỉ ưu tiên tạo lớp hợp kim và mất lớp kẽm nguyên chất màu sáng bạc, nên lớp bảo vệ khi đó chủ yếu là hợp kim sắt – kẽm có màu xám

Thành phần của kẽm nóng chảy đặc biệt gồm có Al, Pb, Ni:

+ Thành phần Al trong dung dịch kẽm nóng chảy chiếm tỷ lệ < 0,0035 %, khi nhúng sản phẩm sắt vào dung dịch kẽm này thì Al sẽ tạo thành lớp bề mặt sáng bóng và hoa nhỏ

+ Độ hòa tan của chì vào kẽm ở 450 0C khoảng 1 %, còn khi lượng chì lớn hơn

1 %, chì sẽ lắng xuống dưới đáy do tỷ trọng cao, nên có tác dụng bảo vệ đáy bể mạ Tuy chì không ảnh hưởng đến quá trình tạo hợp kim Fe – Zn, song khi bị xáo trộn lớp chì dưới đáy, lượng chì trong kẽm nóng chảy lớn hơn 1 % sẽ làm tăng độ nhớt của kẽm, làm giảm độ bám và mỹ quan lớp bảo vệ

+ Ni sẽ làm tan sự tác động của kẽm với sắt, không làm ảnh hưởng đến cấu trúc song lại giảm độ bám độ phủ của lớp bảo vệ

- Làm nguội: sau khi qua bể nhúng kẽm sẽ tiếp tục qua bể nước để làm nguội sản

phẩm, mục đích tạo cho lớp kẽm phủ trên bề mặt chi tiết có tổ chức thích hợp, do đó lớp phủ bền hơn và bóng sáng hơn

- Bể thụ động: mục đích tạo độ bám chặt lớp kẽm phủ trên bề mặt sản phẩm Tăng

khả năng chịu lực va đập, độ bền vững của lớp mạ (nâng cao độ không bong tróc của lớp kẽm phủ trong môi trường tự nhiên)

- Kiểm tra thành phẩm: sản phẩm sau khi nhúng kẽm được tiến hành kiểm tra độ

bám dính, chiều dày lớp mạ, màu sắc,… Nếu sản phẩm đạt yêu cầu về chất lượng thì tiến hành chuyển về bãi chứa sản phẩm chờ xuất xưởng Nếu sản phẩm không đạt, thực hiện lại bước 1 theo sơ đồ

1.4.3 Quy trình xử lý nước thải của nhà máy [4]

Toàn bộ lượng nước thải sản xuất được nhà máy thu gom về và xử lý sơ bộ cùng với nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại tại hệ thống xử lý nước thải tập trung của nhà máy, công suất 10 m3/ngày.đêm

a Quy trình xử lý

Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải tập trung của nhà máy như sau:

Hình 1.19 Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống xử lý nước thải tập trung của nhà máy

b Thuyết minh quy trình công nghệ

* Nguyên tắc của quá trình xử lý:

Cơ sở của phương pháp xử lý nước thải chứa crom là phản ứng khử để chuyển Cr6+

thành Cr3+ ít độc hơn Sau đó tách Cr3+ ở dạng kết tủa kim loại Để khử crom trong nước thải sản xuất, nhà máy sẽ khử Cr6+ ngay tại bể trợ dung trước khi thải vào hệ thống xử

lý nước thải chung Tận dụng nước thải tại phân xưởng mạ có độ pH thấp và hàm lượng

Fe2+ cao

Phản ứng khử crom được mô tả như sau:

CrO42- + 3 Fe2+ + 8 H+ Cr3+ + 3 Fe3+ + 4 H2O Sau khi khử crom, nước thải được thải về hệ thống xử lý nước thải chung để xử lý cùng với nước thải xử lý bề mặt bằng cách điều chỉnh pH và cho kết tủa các kim loại này dưới dạng hydroxide không tan hoặc tạo muối khó tan Tại bể phản ứng, nước thải được cung cấp dung dịch NaOH hoặc Ca(OH)2 và không khí để khuấy trộn tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình phản ứng Phản ứng kết tủa các kim loại được mô tả như sau:

6 NaOH + Cr2(SO4)3 2 Cr(OH)3 + 3 Na2SO4

Các kim loại khác cũng kết tủa tương tự Nhằm tăng cường hiệu quả lắng hydroxide kim loại, nước thải được bổ sung chất keo tụ là polyacrylamit Tiếp đến, nước thải được qua bể lắng để lắng các hydroxide kim loại, nước trong được thải ra môi trường Bùn kim loại sau khi tách khỏi nước thải định kỳ thuê Công ty TNHH MTV Đô thị thu gom xử lý theo quy định đối với chất thải nguy hại

* Các công trình trong quy trình xử lý:

- Bể điều hòa nước thải:

+ Chức năng: giúp điều hoà lưu lượng và nồng độ các chất bẩn có trong nước thải từ các công đoạn sản xuất khác nhau

+ Đặc điểm: có 01 tấm chắn để tách dầu mỡ và có nắp thăm để vệ sinh Bên trong

bể đặt 01 bơm nước thải (đặt chìm) Có thể điều chỉnh pH bằng cách bổ sung axit lúc cần thiết

- Bể trung hòa:

+ Chức năng: bể có tác dụng kết tủa các kim loại có trong nước thải NaOH được pha chế thành dung dịch 20% có khuấy trộn bằng cánh khuấy NaOH 20% được bơm vào bể phản ứng kết tủa, ở đây ion kim loại phản ứng với NaOH tạo dạng hydroxide kết tủa Tùy thuộc vào từng kim loại mà phản ứng tạo kết tủa sẽ xảy ra ở các pH khác nhau Các phản ứng đối với mỗi kim loại như sau:

• Đối với Cr:

6NaOH + Cr2(SO4)3 2Cr(OH)3 + 3Na2SO4

• Đối với Cu, Zn:

Cu2+ + 2NaOH Cu(OH)2 + 2Na+

ZnSO4 + 2NaOH Zn(OH)2 + Na2SO4

• Đối với Ni:

NiSO4 + 2NaOH Ni(OH)2 + Na2SO4

+ Đặc điểm: tại bể này có bố trí dàn phân phối khí bên dưới đáy bể để sục oxy vào bể Ngoài ra, còn trang bị thêm thiết bị điều chỉnh tự động pH có bơm định lượng hoá chất tự động để bổ sung dung dịch xút vào để tăng pH làm cho hiệu quả phản ứng oxy hoá và phản ứng khử, tạo hyđroxyt hoá cao nhất

+ Hiệu suất: với thời gian phản ứng từ 1,3 giờ, hiệu suất tách kim loại đạt rất cao Các hydroxyt kim loại có kích thước lớn nên dễ dàng lắng ngay tại bể lắng

- Bể keo tụ trợ lắng: tại bể này có bố trí dàn phân phối khí bên dưới đáy bể để

khuấy trộn đều dung dịch trong bể, đồng thời bổ sung thêm dung dịch keo tụ để phản ứng keo tụ xảy ra

+ Hiệu suất: 50% đối với TSS

- Bể nén bùn: bể nén bùn gồm 2 ngăn có lỗ thông nhau bên dưới

- Bể chứa nước sạch tuần hoàn: bể để chứa nước sạch sau tháp lọc cao áp để tái

sử dụng cho sản xuất, tiết kiệm chi phí nguồn nước cấp đầu vào

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

a Thành phần kim loại nặng trong nước thải sản xuất của nhà máy

Nước thải từ nhà xưởng sản xuất sẽ chảy theo hệ thống mương thu nước được xây bằng gạch, trên mương có tấm đan đậy bằng bê tông cốt thép, từ đó chảy vào hệ thống xử lý nước thải của nhà máy Tại đây toàn bộ lượng nước thải sẽ được xử lý sơ

bộ trước khi đấu nối về trạm xử lý nước thải tập trung của khu công nghiệp

Nước thải sản xuất có tính axit cao (pH<1) và chứa các kim loại nặng với nồng

độ lớn Từ dây chuyền công nghệ sản xuất của nhà máy, các kim loại chủ yếu tồn tại trong nước thải gồm:

+ Sắt (Fe) có nguồn gốc từ các sản phẩm đã qua sử dụng bị oxy hóa bên ngoài, sau khi đưa vào bể tẩy gỉ có nồng độ axid HCl 15 – 20% có khả năng loại bỏ lớp gỉ sét bên ngoài các sản phẩm

+ Kẽm (Zn) là thành phần chính trong bể mạ kẽm và có thể từ những sản phẩm chưa mất hết lớp mạ kẽm bên ngoài

+ Crom (Cr) từ bể thụ động nhằm tạo độ bám chặt lớp kẽm phủ trên bề mặt các sản phẩm và tăng độ bền cho lớp mạ kẽm

+ Ngoài ra còn có một số kim loại nặng khác trong thành phần của kẽm nóng chảy như Al, Pb,…

b Khảo sát nước thải sản xuất của nhà máy

Lượng nước thải thực tế tại nhà máy chủ yếu từ quy trình mạ kẽm Nước thải sản xuất phát sinh tại phân xưởng mạ kẽm nhúng nóng bao gồm: nước thải từ bể tẩy gỉ, bể rửa sau tẩy rỉ và bể thụ động Tuy nhiên, bể thụ động và bể tẩy rỉ được sử dụng trong 3 – 4 tháng tùy thuộc vào lượng sản phẩm và hiệu suất hoạt động của hai bể này, còn bể rửa sau tẩy gỉ được sử dụng nhanh hơn vào khoảng 13 – 16 ngày tùy vào chất lượng sản phẩm đầu vào khi đưa vào tẩy gỉ

Lượng nước thải của phân xưởng mạ từ ngày 01/12/2016 đến ngày 30/05/2017 là

258 m3 theo hóa đơn sử dụng nước Từ số liệu này, có thể tính toán lượng nước thải sản xuất phát sinh từ phân xưởng mạ trong từng ngày, từng tháng, từng quý, từng năm như sau:

Bảng 2.1 Lượng nước thải sản xuất phát sinh từ phân xưởng mạ

Trung bình lượng nước thải sản xuất phát sinh tại phân xưởng mạ (m 3 )

Tiến hành lấy mẫu nước thải ở hai vị trí bể rửa acid và bể thụ động lúc hai bể này chuẩn bị xả thải, đem phân tích để xác định nồng độ một số kim loại nặng trong nước thải được trình bày trong bảng 2.2

Các kim loại chủ yếu được xác định trong mẫu nước thải là Fe, Zn, Cr, Cd và Pb Đây là các kim loại có khả năng phát sinh trong dây chuyền sản xuất của nhà máy Ngoài ra còn có kim loại Al và Ni nhưng chúng chỉ chiếm thành phần rất nhỏ trong dung dịch kẽm nóng chảy, khó phát sinh trong nước thải sản xuất

Bảng 2.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí –

Mạ Đà Nẵng

STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả QCVN 40:2011/BTNMT

(cột B)

Số lần vượt

+ Nước thải chứa Fe và Zn lấy tại đầu ra bể rửa axit

+ Nước thải chứa Cr lấy tại đầu ra bể thụ động

- Ngày lấy mẫu: 01/03/2017

- QCVN 40:2011/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp

Nhận xét: từ kết quả phân tích cho thấy các kim loại nặng như Cr và Zn trong

nước thải sản xuất phân xưởng mạ vượt gấp hàng ngàn lần so với quy chuẩn.Trong khi

đó Fe và Pb cũng vượt 796 và 291 lần đều vượt quá giới hạn cho phép của QCVN 40:2011/BTNMT về nước thải công nghiệp Chứng tỏ đây là loại nước thải có đặc tính nguy hại cao, nếu không được xử lý triệt để nó sẽ tích tụ ở môi trường xung quanh Điều này chắc chắn gây ra những ảnh hưởng xấu tới sức khỏe của người dân quanh vùng tiếp nhận nếu như họ sử dụng chúng để ăn, uống và làm nước tưới tiêu trong nông nghiệp và nuôi thủy hải sản trên vùng nước này hàng ngày vì các kim loại này có khả năng tích lũy cao Vì vậy, lượng nước thải này cần được xử lý trước khi thải ra môi trường, đặc biệt là các kim loại có nồng độ lớn là Fe, Zn, Pb và Cr Trong đó kim loại Pb có nồng

độ thấp dễ dàng xử lý khi tăng pH nước thải Vì thế tập trung nghiên cứu 3 kim loại chính có nồng độ cao là Fe, Zn và Cr

2.1.2 Vật liệu từ tính γ-PGM

Vật liệu từ tính -PGM do Công ty TNHH Nippon Poly – Glu – Nhật Bản sản xuất,

có thành phần chính là các hạt -PGA được phủ lên bề mặt hạt từ tính Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu nhằm sản xuất loại vật liệu này tại Việt Nam, từ đó vật liệu sẽ được phổ biến và giá thành giảm

Vật liệu từ tính -PGM là loại vật liệu có khả năng trao đổi cation của nhóm cacboxylic trên PGA và hấp phụ vật lý các hạt dạng keo vào mạng polymer ba chiều của

nó Ngoài ra nó còn có các ưu điểm của chất thành phần cấu tạo là sắt từ và -PGA Đó

là vật liệu mang từ tính nên dễ thu hồi vật liệu sau xử lý và có khả năng phân hủy sinh học

2.2 Vật liệu và thiết bị nghiên cứu

2.2.1 Hóa chất

Để thức hiện các thí nghiệm khảo sát và chạy mô hình từ tính cần các loại hóa chất

để tiến hành nội dụng nghiên cứu đươc liệt kê theo bảng 2.3

Bảng 2.3 Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

1 Vật liệu từ tính γ-PGM Hấp phụ kim loại nặng

2 Natri hidroxit (NaOH) Điều chỉnh pH của nước thải

3 Acid clohydric (HCl) 1,12 g/cm3 Tái sử dụng vật liệu γ-PGM

Xác định hàm lượng kim loại Fe

có trong các mẫu thực nghiệm

4 Nước cất

5 Thuốc thử amoni thioxyanua (NH4)SCN

6 Amoni pesunfat tinh thể

7 Dung dịch Fe(III) tiêu chuẩn pha từ muối

Bảng 2.4 Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu

3 Hệ thống cánh khuấy được điều khiển bởi

7 motor MMI – 6S2R có công tắc ngắt –

mở riêng biệt

Tăng cường quá trình hấp phụ của -PGM với ion kim loại nặng trong nước thải

STT Tên thiết bị Mục đích sử dụng

4 Máy quang phổ Genesys 10 UV Scanning Đo mật độ quang để xác định

nồng độ kim loại Fe trong các mẫu nước thải

5 Nam châm vĩnh cửu 4000 Oe Thu hồi và tái sử dụng vật liệu

từ tính -PGM

2.3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của 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”

gồm 2 nội dung chính:

* Nội dung 1: khảo sát khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải sản xuất của nhà máy bằng vật liệu từ tính -PGM Tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của sự biến thiên các yếu tố đến quá trình hấp phụ của -PGM Tập trung thực hiện trên ba yếu tố chủ yếu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình xử lý là:

+ Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý của -PGM

+ Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng xử lý của -PGM

+ Khảo sát ảnh hưởng của lượng -PGM đến khả năng xử lý

Khả năng hấp phụ kim loại nặng Fe, Zn và Cr của -PGM được nghiên cứu ở điều kiện nào thì giá trị của điều kiện đó được điều chỉnh theo một thang giá trị nhất định, các điều kiện khác cố định Nước thải sau hấp phụ được tiến hành tách -PGM ra khỏi dung dịch nhờ nam châm Dung dịch sau đó được đo nồng độ các kim loại nặng còn lại bằng các phương pháp khác nhau

* Nội dung 2: đề xuất mô hình thực nghiệm để 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 xây dựng quy trình công nghệ, tính toán và thiết kế các công trình cho trạm xử lý nước thải của nhà máy bằng công nghệ mới