Nguồn gốc, sự di chuyển và các tương tác của các hợp chất Cr trong môi trường thủy quyển

Mở đầu Trong những năm gần đây, với tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh Việt Nam đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, trong đó ô nhiễm kim loại nặng thải

BÀI TIỂU LUẬN

“Nguồn gốc, sự di chuyển và các tương tác của các hợp chất Crom trong môi trường thủy quyển

”

Mục lục

1 Mở đầu 3

2 Tính chất 3

3 Thực trạng 4

4 Nguồn gốc 5

5 Nguyên nhân 5

6 Sự biến đổi của Crom trong nước 7

7 Ảnh hưởng 8

8 Các phương pháp xử lý Crom 10

9 Kết luận 12

1 Mở đầu

Trong những năm gần đây, với tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh Việt Nam đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, trong đó ô nhiễm kim loại nặng thải ra từ cac nghành công nghiệp là mối đe dọa đến sức khỏe cộng đồng và sự an toàn của hệ sinh thái

Việt Nam là một nước có nền kinh tế đang phát triển, trong đó lĩnh vực công nghiệp đem lại là hơn 30% GDP của cả nước (bình quân giai đoạn 2006-2017) Sự phát triển mạnh trong hoạt động công nghiệp không tương xứng với sự phát triển của cơ sở hạ tầng, hiện chưa có các hệ thống xử lý chất thải công nghiệp tập trung nhiều nghành công nghiệp đã đổ trực tiếp nước thải chưa xử lý vào môi trường Đặc biệt là nước thải công nghiệp của các ngành cơ khí, điện tử có hàm lượng kim loại nặng lớn, vượt quá mức tiêu chuẩn cho phép

Vì vậy, qua bài tiểu luận dưới đây chúng tôi nghiên cứu về crom là một trong các kim loại nặng phổ biến trong nước hiện nay

Crom là một nguyên tố tương đối phổ biến thứ 21 trong tự nhiên, chỉ có ở dạng hợp chất chiếm 0,03% khối lượng vỏ Trái Đất Tên gọi crom (chrome) xuất phát từ tiếng Hi Lạp, chroma nghĩa là “màu sắc” vì các hợp chất của crom đều có màu

2 Tính chất

2.1.Tính chất vật lý:

− Là kim loại nặng, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, rất khó nóng chảy và khó sôi (liên kết kim loại bền) Nhiệt độ nóng chảy là 1875 C, nhiệt độ sôi là 2197 C

2.2.Tính chất hóa học:

− Bền với không khí, hơi ẩm và khí CO2 , vì được bảo vệ bởi màng oxit mỏng và bền trên bề mặt, dùng Crom mạ lên các bề mặt kim loại để bảo vệ cho kim loại không bị rỉ

− Ở nhiệt độ cao, tác dụng với Oxi:

4Cr + 3 2Cr2O3

3 Thực trạng

Ô nhiễm môi trường nước ở nước ta tập trung chủ yếu vào các khu công nghiệp và khu dân cư lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng… Riêng ở Hà Nội, theo thống kê hiện nay đã có hơn 500 nhà máy - xí nghiệp cỡ trung bình và lớn, khoảng 30 bệnh viện, hàng trăm viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm Mỗi ngày thải ra hơn 400.000 nước thải trong đó có hơn 70% là nước thải sinh hoạt Các loại nước thải này đều không được sử lý hoặc xử lý sơ sài rồi đổ thẳng vào 4 con sông chảy qua nội thành: sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, sông Lừ, sông Sét để rồi tất cả đổ vào sông Nhuệ qua đập Thanh Liệt

Hiện nay, sông hồ ngày càng ô nhiễm do hoạt động của các khu công nghiệp và quá trình đô thị hóa ven sông Ví dụ như nồng độ Crom tại sông Soài Rạp (thuộc

hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai) dao động từ 307-357 mg/kg

❖ Dưới đây là một số chỉ tiêu của nồng độ crom trong nước thải của Việt Nam ( năm 2015)

Bảng 1: Chỉ tiêu Crom trong nước thải công nghiệp

Thông số Đơn vị Giá trị giới hạn

Crom(VI) Ppm 0.05 0.1 0.5

Crom(III) Ppm 0.2 1 2

Ghi chú:

Nước thải công nghiệp có giá trị nồng độ Crom :

∙ Nếu nồng độ ≤ Giá trị quy định trong cột A có thể đổ vào các khu vực nước dùng làm nguồn nước sinh hoạt

∙ Nếu nồng độ ≤ Giá trị quy định trong cột B chỉ được đổ vào các khu vực nước dùng trong các khu vực nước giao thông, thủy lợi, tưới tiêu, nuôi trồng thủy sản

∙ Giá trị quy định trong cột B<giá trị nồng độ Crom trong nước thải≤ giá trị quy định trong cột C: Chỉ được cho phép đổ ở nơi quy định

∙ Nếu nồng độ > Giá tri quy định trong cột C không được phép thải ra môi trường

Bảng 2: Tiêu chuẩn chất lượng Crom trong nước mặt

Thông số Đơn vị Giá trị giới hạn

Ghi chú:

Cột A áp dụng đối với nước mặt có thể dùng làm nguồn nước cấp nước thải sinh hoạt nhưng phải qua quá trình xử lí theo quy định

Cột B áp dụng với nước mặt cho các mục đích nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản Tiêu chuẩn chất lượng nước ngầm: Cr(VI) là 0,05 ppm

4 Nguồn gốc

− Trong nước, crom tồn tại ở 2 dạng Cr(III) và Cr(VI) Hợp chất Cr 3+ hầu như không độc, thường tồn tại trong môi trường axit, nhưng trong môi trường kiềm lại

tồn tại ở dạng hydroxyt Cr(OH) 3 hoặc Cr(OH) 4-

− Tuy nhiên, ở hợp chất Cr 6+ 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

5 Nguyên nhân

− Crom được tạo thành trong nước từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên như sự phong hóa của các thành phần đá, sự sói mòn của crom và các bụi phóng xạ khô trong bầu khí quyển

− Do lượng nước thải lớn được thải ra từ các hoạt động của các ngành công nghiệp

− Sự có mặt của Crom và nồng độ của nó trong các hình thức xả thải khác nhau và phụ thuộc chủ yếu vào các hợp chất Crom được sử dụng trong công nghiệp; vào độ pH; chất thải hữu cơ, vô cơ do các nguyên liệu được sử dụng

 Cr(III) có trong nước thải trong ngành thuộc da, dệt may và trong nước thải của ngành công nghệ mạ trang trí và mạ điện

 Cr(VI) có mặt chủ yếu trong nước thải của các ngành như luyện kim,công nghệ chê biến kim loại, phóng xạ và trong các chât nhuộm

Hình 1: Nước thải sinh hoạt ra môi trường

− Không chỉ trực tiếp do nước thải công nghiệp và sinh hoạt mà còn có thể từ các nguồn gốc khác (giao thông vận tải, đốt than, đốt rác, phân bón, thuốc trừ sâu…)

Hình 2: Xả nước thải trực tiếp của công ty TNHH may mặc dệt kim Smart Shirts

Việt Nam, tỉnh Hưng Yên

6 Sự biến đổi của Crom trong nước

− Trong tự nhiên Crom tồn tại ở 2 dạng oxi hóa ổn định là Cr(III) và Cr(VI)

Sự có mặt và tỉ lệ giữa 2 trạng thái này phụ thuộc vào các quá trình khác nhau bao gồm sự biến đổi hóa học ,sự phong hóa, quá trình kết tủa, sự thủy phân, hấp thụ

− Dưới điều kiện thiếu oxi, Cr(III) trạng thái duy nhất : ở pH > 7 ion CrO4

2-chiếm ưu thế tại pH trung tính Tỉ lệ của Cr(III)/Cr(VI) phụ thuộc vào nồng độ của oxi, nồng dộ của chất khử, chất oxi hóa trung gian và các tác nhân tạo phức khác nhau

− Sự hình thành Crom trong vùng bề mặt nước cho thấy H2O phức hydroxo chiếm ưu thế trong điều kiện phổ biến ở các vùng nước tự nhiên, mặc dù Crom (III) hình thành các phức hợp khác nhau với nguồn gốc của các chất hữu cơ tự nhiên như axit amin, axit humic và các axit khác Crom(III) được cố định bởi các hợp chất phân tử lớn Đặc biệt, các phức Crom có xu hướng hấp thụ bởi các chất rắn có nguồn gốc tự nhiên, nó góp phần làm giảm sự linh động của Crom(III) và xúc tác sinh học trong các vùng nước

 Crom(III) tồn tại như một hexaquachromium(3+) và nó là sẩn phẩm thủy phân của:

Cr(H2O)63+ + H2O ⇄ Cr(OH)(H2O)52+ + H3O+

Cr(OH)(H2O)52+ + H2 O ⇄

Cr(OH)2(H2O)4+ + H3O+

Cr(OH)2(H2O)5+ +H2 O ⇄

Cr(OH)3(H2O)+ + H3O+

− Tuy nhiên tạp chất trihydroxochromium tan ít trong khoảng pH = 5,5 – 12, nhưng Cr(OH)3H2O là một hydroxit lưỡng tính, ở pH cao hơn nó dễ dàng chuyển hóa thành tetra-hydroxo (Cr(OH)4- pk=15,4)

Cr(OH)3 +2H2O ⇄ Cr(OH)4- + H3O+

− Khi dung dịch Crom(III) có nồng độ lớn hơn 10-6M thì sẽ tồn tại các sản phẩm thủy phân như Cr2(OH)24-, Cr3(OH)45-, Cr4(OH)4

6- Cr(VI), H2CrO4 là một axit mạnh

H2CrO4 ⇄ H+ + HCrO4 - ; K=10-0,75

HCrO4-⇄ H+ + CrO42- ; K=10-6,45

Và ở pH > 1 nó tạo thành các hợp chất phổ biên , ở pH > 7 chỉ có ion CrO42- tồn tại trong dung dịch với nồng độ khác nhau Ở pH=1 – 6, HCrO4- ưu tiên tạo thành Cr(VI) nồng độ là 10-2 khi nó bắt dầu ngưng tụ ản phẩm ion dicromat, màu đỏ cam 2HCrO4- ⇄ Cr2O72- + H2O ; K=102.2

Trong phạm vi pH trung tính ở các vùng nươc tự nhiên các ion CrO42-, HCrO4- và

hoàn toàn và linh động trong môi trường Tuy nhiên, các hợp chất Cr(VI) thường được chuyển về Cr(III) bởi các hợp chất cho electron như các vật chât hữu cơ hoặc hợp chất khử vô cơ

7 Ảnh hưởng

7.1 Đối với môi trường

− Ô nhiễm nguồn nước : nhiều cá tôm chết do nhiễm độc và một số thực vật cung nhiễm độc crom

− Nước thấm xuông đất đi vào mạch nước ngầm dần dần ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt

Hì

nh 3: Cá chết do nước sông bị ô nhiễm có phần chất thải Crom

7.2 Đối với con người

- Crom kim loại và các hợp chất Crom (III) thông thường không được coi là nguy hiểm cho sức khỏe Crom hóa trị 3 [Cr (III) hay Cr3+] là yêu cầu với khối lượng rất nhỏ cho quá trình trao đổi chất của đường trong cơ thể người và sự thiếu hụt nó có thể sinh ra bệnh gọi là thiếu hụt crom Ngược lại, các hợp chất crom hóa trị sáu (Crom VI) lại là độc hại nếu nuốt/hít phải Liều tử vong của các hợp chất

- Crom (VI) độc hại là khoảng nửa thìa trà vật liệu Phần lớn các hợp chất Crom (VI) gây kích thích mắt, da và màng nhầy, có thể gây bệnh đối với những người có cơ địa dị ứng Crom(VI) có trong thành phần của xi măng Porland có thể gây bệnh dị ứng xi măng với những người có cơ địa dị ứng hoặc có thời gian tiếp xúc qua da thường xuyên và đủ lâu với xi măng Phơi nhiễm kinh niên trước các

hợp chất Crom (VI) có thể gây ra tổn thương mắt vĩnh viễn, nếu không được xử lý đúng cách Crom (VI) được công nhận là tác nhân gây ung thư ở người

- Do các hợp chất của crom đã từng được sử dụng trong thuốc nhuộm và sơn cũng như trong thuộc da, nên các hợp chất này thông thường hay được tìm thấy trong đất và nước ngầm tại các khu vực công nghiệp đã bị bỏ hoang Các loại sơn lót chứa Crom hóa trị 6 vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng sửa chữa lại tàu vũ trụ và ô tô

→ Từ những ảnh hưởng của Crom đến sức khỏe con người mà người ta có những phương pháp xử lý Crom trong nước

8 Các phương pháp xử lý Crom

nước thải các hóa chất để tiến hành các phản ứng oxi hóa – khử, kết tủa để tách các chất độc hại có trong nước thải sau đó lắng, lọc, trung hòa đến tiêu chuẩn cho phép

Đây là phương pháp Việt Nam dùng phổ biến để xử lý crom

Cơ sở của phương pháp hóa học để xử lý nước thải crom là phản ứng khử biến Cr6+

thành Cr3+, tiếp đó tách Cr3+ ở dạng hydroxyl kết tủa

 Những chất khử có thể là: natri sunfua Na2S, natri sunfit Na2SO3, natri bisunfit NaHSO3, polisunfit, sắt sunfat FeSO4, khí sunfurơ SO2, khói chứa

SO2,…

 Những phản ứng khử Cr6+thành Cr3+ được biểu thị như sau:

o Với natri sunfit: Cr2O7 2- + 3S2- + 14H+==> Cr3+ + S0 + 7H2O

o Với natri bisunfit: Cr2O7 2- + 3HSO3 - + 5H+==> 2Cr3+ + 3SO4 2- + 4H2O

o Với sắt sunfat: Cr2O7 2- + 6Fe2+ + 14H+ ==> 2Cr3+ + 3Fe3+ + 4H2O

 Trong dung dịch nước natri sunfit bị thủy phân rất mạnh và tạo thành crom hydroxyt kết tủa do đó không cần phải cho thêm vôi:

S2- + 2H2O <==> H2S + 2OH

- Nếu dùng natri bisunfit và sắt sunfat thì phải cho thêm vôi sữa (hoặc một loại kiềm nào đó) để Cr3+ có thể lắng được: Cr3+ + 3OH- ==> Cr(OH) 3 (kết tủa)

+ Ưu điểm: Xử lý nước thải lưu lượng lớn, chi phí thấp, đơn giản, dễ vận hành

+ Hạn chế: Chuyển chất thải từ dạng này sang dạng khác, tạo lượng bùn Crom lớn

trong dung dịch và các ion trong pha rắn Khi các vật liệu này đạt trạng thái bão hòa, ta tiến hành tái sinh hoặc thay chúng

+ Ưu điểm: Nhu cầu năng lượng thấp, không gian xử lý nhỏ thích hợp với xử

lý nước thải chứa nhiều ion kim loại đồng thời có khả năng thu hồi các cấu tử

có giá trị mà không tạo ra các chất thứ cấp

+ Hạn chế: Giá thành xử lý cao, yêu cầu vận hành chặt chẽ, tái sinh vật liệu trao đổi

 Phương pháp hấp thu sinh học: Cơ sở của phương pháp là sử dụng các sinh vật trong tự nhiên hoặc các loại vật chất có nguồn gốc sinh học có khả năng giữ lại trên bề mặt hoặc thu nhận vào bên trong các tế bào của chúng các kim loại nặng khi đưa chúng vào môi trường nước thải chứa kim loại nặng

 Phương pháp chuyển hóa sinh học: Các vi sinh vật sử dụng các enzim trực tiếp chuyển hóa các kim loại nặng ở dạng độc về dạng ít độc hơn hoặc không độc Chuyển hóa một chất phi kim loại khác về dạng có thể kết hợp với kim loại nặng để tạo ra chất ít độc hơn hoặc dễ xử lý hơn

 Phương pháp dùng lau sậy: Cơ chế của phương pháp rất phức tạp dựa trên

sự tác động đồng thời của bộ rễ, thân cây và hệ sinh thái có trong đất Rễ cây cung cấp oxi cho vi sinh vật sống trong đất hoạt động và phân hủy các hợp chất hữu cơ và một phần kim lọai nặng

để loại bỏ Crom trong nước thải

 Hấp phụ vật lý: xảy ra nhờ lực tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

 Hấp phụ hóa học: xảy ra nhờ các liên kết hóa học giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

9 Kết luận

Qua bài tiểu luận ta thấy được nồng độ crom trong nước ngày càng tang cao và ảnh hưởng lớn đến môi trường Ta cần phải quan âm đến vấn đề này, các nhà máy xí nghiệp cần chú rọng hơn về việc xử lý nước thải khi thải ra môi trường Và con ngươi cần có nhận thức cao hơn về việc ảnh hưởng này Chúng ta cần tuyên truyền

để bảo vệ môi trường bảo vệ con người

Tài liệu tham khảo:

1 Đặng Thị Chi (1997), Hóa môi trường, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà

Nội

2 Trần Tứ Hiếu , Phạm Hùng Việt, Nguyễn Văn Nội (1999), Giáo trình Hóa môi trường cơ sở, Khoa hóa học

3 Lê Qúy An (2003), Hiện trạng ô nhiễm môi trường Việt Nam, NXB Quân đội nhân dân

4 Đánh giá ô nhiễm kim loại Crom trong trầm tích cửa sông Soài Rạp, hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai- Tạp chí Môi Trường