Các công nghệ đơn giản để tách asen khỏi nước sinh hoạt

Asen gặp trong tự nhiên trong đá, ở dạng này nó không độc nhưng khi tiếp xúc với nước và không khí nó tạo thành dung dịch asenat (As ⁺⁵) và asenit (As ⁺³) gây độc hại với cây cối, động vật và con người. Asenat dễ khử nhưng asenit rất khó khử.

Tất cả các công nghệ để tách asen đều dựa vào một số quá trình hoá học cơ bản sau:

- Oxy hoá - khử, quá trình này không tách được asen ra khỏi dung dịch nhưng nó thường được dùng để tối ưu hoá các quá trình khác.

- Kết quả là quá trình đưa tác nhân hoá học vào để asen chứa trong nước tạo thành hợp chất rắn có độ tan thấp như canxi asenat... các chất rắn này sau đó được tách ra bằng lắng, lọc. Khi đưa chất kết tụ vào, các hợp chất hoà tan khác cũng bị kết tủa, đây là hiện tượng đồng kết tủa.

- Hấp phụ và trao đổi ion: các vật chất rắn như bông kết sắt hydroxyt, nhôm hydroxyt có ái lực rất mạnh với asen hoà tan. Asen bị hút mạnh vào chất hấp phụ này và có thể tách hiệu quả nó khỏi dung dịch. Trao đổi ion được xem là một dạng đặc biệt của quá trình hấp phụ, trong đó ion cần thu hồi sẽ trao đổi với ion chứa trong nhựa trao đổi ion.

- Tách rắn/ lỏng là quá trình tách các chất đã kết tủa, đồng kết tủa, hấp phụ và nhựa trao đổi ion ở dạng rắn ra khỏi pha nước bằng cách lắng, lọc.

- Tách bằng màng bán thấm, màng này có tác dụng như thiết bị lọc phân tử để tách asen hoà tan cũng như các hợp chất hoà tan khác.

- Tách bằng sinh học, ở đây vi khuẩn đóng vai trò là chất xúc tác cho nhiều quá trình đã nêu ở trên.

- Đun sôi không tách được asen khỏi nước.

Các công nghệ để tách asen đều sử dụng một vài quá trình trên hoặc kết hợp với nhau hoặc kế tiếp nhau; ngoài việc tách asen, các quá trình trên còn tách được các tác nhân không mong muốn khác như vi khuẩn, độ đục, màu, mùi, độ cứng, phôtphat, fluorit, nitrat, sắt, mangan và các kim loại nặng khác.

Hầu hết các công nghệ tách asen chỉ tách hiệu quả asenat vì asenit ở pH < 9,2 không mang điện tích, do đó nhiều hệ thống xử lý phải có bước oxy hoá để chuyển asenit thành asenat. Có thể oxy hoá trực tiếp asenit thành asenat bằng các hoá chất như clo, hypoclorit, ozôn, pecmanganat, hydro peoxit (H ₂O ₂).

Có nhiều công nghệ để tách asen, dưới đây là các công nghệ đơn giản nhất:

- Kết tủa và lọc phương phápthông dụng nhất để tách asen. Có thể kết tủa asen bằng muối kim loại hoặc vôi tôi, dùng phương pháp này ngoài việc tác được asen còn tách được nhiều chất lơ lửng và chất hoà tan trong nước như sắt, mangan, đồng thời nó cũng làm giảm đáng kể màu sắc, mùi vị của nước. Muối kim loại thông dụng nhất là phèn, clorua sắt 3 hoặc sunfat sắt 3. Muối sắt 3 và muối nhôm là các muối tách asen hiệu quả nhất; trong điều kiện thí nghiệm, ở chế độ tối ưu có thể tách được trên 99% asen. Trong quá trình này, asen được tách ra theo 3 cơ chế chính như sau:

+Asen bị kết tủa tạo thành hợp chất không tan Al(AsO ₄) hoặc Fe(AsO ₄).

+ Đồng kết tủa: asen hydroxit tạo thành cùng kết tủa với các hydroxit kim loại khác.

+ Hấp phụ: asen hoà tan sẽ liên kết tĩnh điện với bề mặt ngoài của hydroxit kim loại không tan.

- Dùng oxyt nhôm hoạt tính

Oxyt nhôm hoạt tính ở dạng hạt (Al ₂O ₃) có điện tích bề mặt bên trong rất lớn, nằm trong khoảng 200 - 300 m ²/g nên có khả năng hấp phụ asen trong nước; nó có thể tách cả asenit và asenat. Khả năng tách asenat của Al ₂O ₃tốt nhất ở pH = 5,5 - 6,0; với nước có tính bazơ và trung tính, cần thiết phải điều chỉnh pH đến giá trị thích hợp để tách asen.

Để tách asen, người ta dùng oxy nhôm hoạt tính có cỡ hạt mịn 28 - 48 mesh; để tách asen ra khỏi oxyt nhôm hoạt tính (tái sinh lại oxyt nhôm) người ta rửa nó bằng dung dịch 4% NaOH, sau đó rửa bằng axit để khôi phục lại diện tích dương trên bề mặt hạt Al ₂O ₃.

Các ưu điểm của công nghệ dùng nhôm hoạt tính là đơn giản, có thể thực hiện trong hộ gia đình nhưng nó có nhược điểm là khó tái sinh lại oxyt nhôm, bằng cách tái sinh ở trên chỉ đạt hiệu quả 50 - 80%.

- Các công nghệ nổi bật khác

Gần đây có nhiều công trình nghiên cứu tìm công nghệ mới giá rẻ, đơn giản để tách asen cho phép có thể sử dụng nó ở vùng nông thôn. Nhiều công nghệ dựa trên sự oxy hoá asenit, sau đó lọc qua một số vật liệu xốp, khi đó asen được tách ra bằng quá trình hấp phụ hoặc đồng kết tủa. Rất nhiều hệ thống tách asen có sử dụng hợp chất sắt là chất tác dụng mạnh với asen. Một số công trình đó là:

+ Oxy hoá Fe - Mn

Khi ôxy hoá để tách sắt và mangan ra khỏi nước có thể tách được cả lượng đáng kể asen do asen kết tủa đồng hình hoặc hấp phụ lên sắt 3 hydroxit hoặc mangan hydroxyt. Hầu hết các công nghệ giá rẻ để tách asen và mangan đều dựa vào sự thông khí rồi lọc qua lớp vật liệu xốp như cát, sỏi. Bất kể công nghệ nào tách hiệu quả sắt và mangan thì cũng có thể tách hiệu quả asen. Song ở công nghệ này cần lưu ý:

• Tách sắt không phải lúc nào cũng dễ dàng, một số loại nước chứa sắt ở dạng chậm oxy hoá hoặc sắt có thể tạo phức với các hợp chất hữu cơ sẽ gây trở ngại cho sự oxy hoá và lọc nó và việc kết tủa cũng không xảy ra khi độ kiềm thấp.
• Không có bước lọc, rất nhiều sắt có thể nằm lơ lửng ở dạng hạt keo, thậm chí cả sau khi oxy hoá.
• Asenit không liên kết mạnh với sắt như asenat, nếu nước chứa chủ yếu asenit thì việc tách asen sẽ ít hiệu quả.
• Khi nước được tích chứa ở các bể chứa của hộ dân thì khả năng nó bị nhiễm khuẩn là rất lớn.

Người ta cũng nhận thấy rằng, thêm clorua sẽ làm tốt sự oxy hoá cả sắt, asenit và chống được vi khuẩn, tuy nhiên clorua có thể kết hợp với các chất hữu cơ thành các chất độc hại và việc clorua hoá ở trong hộ dân khó thực hiện.

+ Hấp phụ asen lên oxyt kim loại khác

Ngoài oxyt nhôm hoạt tính, các oxyt kim loại khác cũng tác dụng mạnh với asen và nó được dùng như chất hấp phụ. Cát thạch anh không tách được asen ở hầu hết các môi trường vì bề mặt khoáng vật này mang điện tích âm, nhưng nếu cát được phủ bằng lớp oxy kim loại thì nó có khả năng hấp phụ cao.

Gần đây, người ta đã sử dụng oxy sắt tự nhiên giá rẻ như hêmatit, gơtit với hàm lượng sắt từ 59 - 64% Fe, có cỡ hạt nanô phủ lên bề mặt của cát thạch anh; cho nước nhiễm asen có nồng độ 1 mg/l (As ⁺⁵) chảy qua lớp lọc chứa các hạt thạch anh phủ sắt này, lượng asen còn lại trong nước có thể giảm xuống dưới 0,01 mg/l.

Người ta đã nghiên cứu nhiều thông số ảnh hưởng đến sự hấp phụ asen lên oxyt sắt như: lượng hấp phụ, pH, thời gian tiếp xúc, cỡ hạt chất hấp phụ, diện tích bề mặt và sự có mặt của các chất cản trở như silicat, phốtphát, clorit và sunfat.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, để giảm nồng độ asen từ 1 mg/l xuống dưới 0,01 mg/l thì số lượng chất hấp thụ là 5 g/l; độ pH thích hợp là 4,5 - 6,5, cỡ hạt chất hấp phụ là - 0,07 + 0,063 mm, quan hệ giữa lượng asen được hấp phụ với thời gian tiếp xúc là quan hệ tuyến tính. Diện tích bề mặt của chất hấp phụ không phải là yếu tố ảnh hưởng quyết định đến sự hấp phụ. Sự có mặt của các chất cản trở ảnh hưởng đến sự hấp phụ asen như sau:

- Tăng nồng độ silic từ 14 đến 5 b/l làm lượng hấp phụ asen giảm 30%. Để giảm thiểu ảnh hưởng của silic nên thực hiện hấp phụ asen ở pH nhỏ hơn 5.

- Trong dung dịch có As và P, hai ion này cạnh tranh hấp phụ lên oxyt sắt; thực tế nghiên cứu cho thấy, nếu trong dung dịch có 2 mg/l P, nồng độ As là 1 mg/l thì lượng sắt cần thiết phải tăng lên 6 lần (30 g) để hấp phụ asen đến nồng độ 0,01 mg/l.

- Sự có mặt của clorua, đặc biệt là sunfat, làm tốt sự hấp phụ asen lên oxyt sắt.

Tài liệu tham khảo

(1)    Richard Johnston, Han Heijnen. Safe water tachnology for arsenic removal.

(2)    W. Zhang, P. Singh và nnk. Arsenic removal from contaminated water by natural iron ores Minerals Engieering 17 (2004), 517 - 524.