Nước nhiễm Mangan là gì? Tác hại, nguồn gốc và cách xử lý

   Hiện nay, tình trạng nước nhiễm Mangan đang khá phổ biến ở nhiều nơi tại nước ta. Việc phải hấp thụ nước nhiễm mangan lâu ngày sẽ khiến cho cơ thể dễ mắc các chứng bệnh nguy hiểm. Hãy cùng Karofi tìm hiểu xem nước nhiễm mangan là gì, và cách xử lý chúng ra sao nhé?

Nước nhiễm mangan - Nguồn ảnh: scimitar

Khái niệm

   Mangan là một nguyên tố đóng vai trò thiết yếu trong không chỉ đời sống con người với rất nhiều ứng dụng công nghiệp, khoa học mà ngay cả trong sự sống của loài người. Ở trạng thái oxy hóa +2 – trạng thái oxy hóa ổn định nhất – mangan được sử dụng trong các sinh vật bậc cao với chức năng đồng yếu tố trong một số enzym, giữ vai trò quan trọng trong sự giải độc các peoxit tự do.

   Mangan là một nguyên tố vi lượng cần cho sự sống và phát triển của cơ thể người, động vật và thực vật. Lượng mangan cần thiết cho cơ thể người được các cơ quan tiêu hóa hấp thụ từ thức ăn, còn lượng mangan có trong nước không ảnh hưởng đến sự hấp thu này. Tuy nhiên khi mangan tồn tại trong nước với hàm lượng vượt quá mức cho phép (0.5mg/l) sẽ gây mùi vị khó chịu, hoen ố quần áo và đồ dùng vật dụng chứa nước và gây tác hại cho cơ thể khi sự phơi nhiễm kéo dài.

Tác hại và nguồn gốc

   Mangan là nguyên tố phổ biến thứ 12 trong sinh quyển, có mặt trong môi trường đất, trầm tích và các vật chất sinh học khác nhau. Thông qua quá trình rửa trôi, phong hóa và các hoạt động của con người, mangan sẽ được tích tụ trong các nguồn nước khác nhau như ao, hồ, sông, suối,… sau đó từ các dạng nước mặt này mangan sẽ được ngấm vào các mạch nước ngầm trong lòng đất. Chính vì thế trong nguồn nước ngầm luôn chứa một lượng mangan hòa tan đáng kể với lượng phân bố chủ yếu phụ thuộc vào cấu tạo địa chất của từng vùng. Việt Nam là một trong số nhiều nước được nghiên cứu và chỉ ra nguồn nước ngầm nhiễm mangan gây ảnh hưởng đến sinh hoạt và đời sống, sức khỏe con người.

   Trong sinh hoạt khi sử dụng nguồn nước nhiễm mangan để làm ố bẩn, cặn đen ở các vật dụng chứa đựng nước, các đường ống dẫn và hệ thống phân phối nước bị đóng cặn mảng bám đen gây thu hẹp đường ống làm tăng tổn thất thủy lực. Quần áo được giặt bằng nước nhiễm mangan sẽ bị ố đen khó tẩy sạch, phá hủy sợi vải do mangan bám dính vào sợi vải.

   Đối với cơ thể con người, mangan được hấp thụ vào cơ thể con người thông qua 3 con đường : hô hấp, tiếp xúc và tiêu hóa. Mangan được hấp thụ vào cơ thể thông qua hô hấp sẽ làm tổn thương phổi với các mức độ khác nhau như: ho, viêm phế quản cấp tính, viêm cuống phổi, ù tai, run chân tay và tính dễ bị kích thích. Sự nhiễm độc mangan cũng xuất hiện khi con người sử dụng nguồn nước ăn uống có nồng độ mangan cao trong một thời gian dài. Nhiễm độc mangan từ nước uống làm giảm khả năng ngôn ngữ, giảm trí nhớ, giảm khả năng vận động. Khi phơi nhiễm mangan lâu dài ở nồng độ vượt quá giới hạn cho phép 0.5mg/l mặc dù không là nguyên nhân dẫn đến ung thư nhưng sẽ dẫn đến các triệu chứng liên quan đến ngộ độc thần kinh. Đặc biệt ở trẻ em sự hấp thụ mangan nhiều hơn hẳn các nhóm tuổi khác nhưng khả năng đào thải lại rất thấp  do đó ảnh hưởng của mangan đối với hệ thần kinh đang phát triển rất nguy hiểm.

Cách xử lý

   Mangan tồn tại trong nước bao gồm dạng oxit không tan trong nước gây vẩn đục cặn đen và dạng ion tan Mn²⁺.  Đối với tạp chất mangan không tan trong nước có thể xử lý bẳng để lắng hoặc dễ dàng loại bỏ bằng quá trình đông tụ và lọc. Tuy nhiên việc loại bỏ mangan hòa tan không thể thực hiện bằng các quá trình như vậy, cách xử lý là oxy hóa ion tan Mn²⁺ thành dạng dioxide MnO₂ không tan sau đó loại bỏ bằng bằng các quá trình trên. Tùy thuộc mục đích và mức độ ô nhiễm của nguồn nước mà ta lựa chọn phương pháp xử lý khác nhau. Nồng độ của Mn trong nước ≤ 0,05 mg/l là nồng độ tới hạn vì rất khó để loại trừ Mn ra khỏi nước xuống dưới nồng độ này. Thông thường việc loại bỏ Mn thường đi kèm với việc thải loại Fe ra khỏi nguồn nước cần xử lý.

Phương pháp oxy hóa

   Trước khi mangan được loại bỏ bằng cách lọc bỏ cặn, chúng cần phải được oxy hóa đến trạng thái chất rắn không hòa tan MnO₂. Quá trình oxy hóa ion mangan trong nước có thể đạt được bằng cách sục khí, sử dụng các chất có tính oxy hóa mạnh như sodium hypoclorite, ozon, kali permanganat,… Oxy hóa kèm theo lọc là quá trình tương đối đơn giản, nguồn nước phải được theo dõi ban đầu để xác định lượng chất oxy hóa thích hợp đồng thời sau khi kết thúc để xác định quá trình oxy hóa thành công hay chưa triệt để.

• Mn²⁺  +  O₃ + H₂O → MnO₂ ↓ + O₂  + 2H⁺
• 3Mn²⁺ + 2MnO₄^- + 2H₂O → 5MnO₂ ↓ + 4H⁺
• Mn²⁺ + 2NaClO  → MnO₂ ↓ + Cl₂ + 2Na⁺

   Oxy hóa bằng cách sử dụng clo hoặc kali permanganate thường được áp dụng trong các hệ thống nước ngầm nhỏ. Tuy nhiên khi sử dụng clo để xử lý nước việc hình thành trihalomethanes (THMs) có thể là một vấn đề lớn vì hợp chất này được biết đến phụ phẩm thuộc nhóm các hợp chất gây ung thư.

   Là một chất oxy hóa, kali permanganat (KMnO₄) thường đắt hơn clo và ozon, nhưng đối với việc loại bỏ mangan thì KMnO₄ đạt hiệu quả cao hơn và đòi hỏi thiết bị, đầu tư vốn ít hơn đáng kể tuy nhiên cần phải kiểm soát liều lượng cẩn thận: quá ít permanganat sẽ không oxy hóa toàn bộ mangan và quá nhiều tạo màu tím hồng cho nước.

   Phương pháp cung cấp oxy hóa chi phí thấp là sử dụng oxy trong không khí làm chất oxy hoá mangan bằng cách tăng diện tích tiếp xúc tuy nhiên oxy không phải là một chất oxy hóa đủ mạnh để phá vỡ các phức hợp mạnh hình thành giữa mangan và các phân tử hữu cơ lớn. Hơn nữa, tốc độ phản ứng giữa oxy và mangan rất thấp khi độ pH của nước dưới 9,5.

Ưu điểm

   Dễ thực hiện, thiết bị đơn giản và không tốn kém

Nhược điểm

• Phải kiểm soát liều lượng chất oxy hóa sử dụng đặc biệt là permanganat.
• Phải xử lý kết tủa sau khi xử lý đảm bảo loại bỏ triệt để.

Phương pháp lọc bằng vật liệu hấp phụ

   Nhìn chung quá trình oxy hóa mangan khó khăn hơn oxy hóa sắt vì tốc độ phản ứng chậm hơn. Thời gian chờ của phản ứng lâu hơn (10 đến 30 phút) sau khi thêm hóa chất để cho phép phản ứng xảy ra trước khi lọc.

   Phương pháp lọc bằng vật liệu hấp phụ là dựa trên nguyên lý của phản ứng oxy hóa Mn²⁺  thành dạng hạt MnO₂ hấp phụ lên chính vật liệu chứa tác nhân oxy hóa. Phương pháp này cũng đòi hỏi pH của nước đầu vào đạt yêu cầu ≥ 7,0 thế oxy hóa khử > 700mV. Các vật liệu lọc khác nhau để loại bỏ mangan bao gồm mangan greensand, cát mangan (bản chất là các hạt cát, khoáng zeolit được bọc phủ bởi oxit mangan hoặc kali permanganat), gốm macrolit (vật liệu gốm được sản xuất có dạng hình cầu với bề mặt vân nhám, cơ chế loại bỏ mangan dựa trên sức căng vật lý ở bề mặt vật liệu đối với ion kim loại hơn là sự tiếp xúc oxy hóa hoặc hấp thụ).…

Ưu điểm

•  Vận hành đơn giản, có thể đưa vào bể lọc đang sử dụng.
•  Tuổi thọ vật liệu cao.

Nhược điểm

•  Phải tiền xử lý nâng pH nước đầu vào trước khi đưa qua vật liệu khi không đạt pH yêu cầu.
•  Với một số loại vật liệu hấp phụ cần tái sinh định kỳ để hoàn nguyên.

Phương pháp trao đổi ion

   Nguyên lý của phương pháp này là dùng các vật liệu nhựa trao đổi cationit để trao đổi ion Na, K với ion mangan trong nước. Sự trao đổi ion cần phải được lựa chọn cẩn thận, phương pháp này chỉ dùng để loại bỏ một lượng nhỏ mangan vì có nguy cơ tắc nghẽn nhanh hoặc quá trình oxy hóa xảy ra, sản phẩm có thể phủ lên và phá hủy vật liệu trao đổi ion.

• 2[K]-Na + Mn²⁺ → [K₂]-Mn + 2 Na⁺

Ưu điểm

• Hiệu quả khử mangan cao.
• Có thể xử lý cho nguồn nước nhiễm mangan ở nồng độ thấp.

Nhược điểm

•  Khả năng trao đổi ion giảm khi trong nước có chất oxy hóa là kết tủa dioxit mangan làm phá hủy vật liệu trao đổi.
•  Chi phí cao, nguyên vật liệu đắt và không sẵn có.

Phương pháp tạo phức chelat

   Tạo phức chelat là việc bổ sung các hóa chất cho nước nhằm kiểm soát các vấn đề gây ra bởi kim loại mangan mà không cần loại bỏ chúng. Hóa chất thường sử dụng để xử lý mangan là polyphotphat (pyrophosphate, tripolyphosphate, hoặc metaphos-phate) và clo – tác nhân chelat. Chúng sẽ quyên góp điện tử để hình thành liên kết phối hợp với ion mangan tạo phức gây cô lập ion mangan và ngăn ngừa ion này không bị oxy hóa cũng như kết tụ vào các phân tử lớn hơn hoặc bị kết tủa.

Ưu điểm

•  Kiểm soát nồng độ mangan trong nước mà không cần loại bỏ.
•  Không tạo chất thải sau khi xử lý.

Nhược điểm

•  Kim loại mangan chỉ bị cô lập trong nước, không bị loại bỏ hoàn toàn ra khỏi nước.
•  Chi phí thiết kế, vận hành và hóa chất đắt.

Phương pháp sinh học

   Cũng như vậy đối với sắt, mangan có thể được loại bỏ bằng cách sinh học. Có những vi khuẩn lấy năng lượng từ quá trình oxy hóa mangan, ion mangan hòa tan sẽ được hấp phụ trên bề mặt của màng tế bào sau đó nó sẽ được oxy hóa qua enzym, phèn sẽ được tập trung trong một vỏ bao quanh tế bào hoặc nhóm tế bào.

   Điều kiện để xúc tác cho quá trình oxy hóa sinh học cần thiết yêu cầu môi trường pH lớn hơn 7,5 và đạt độ bão hòa oxy hòa tan. Một số vi khuẩn dị dưỡng xử lý kim loại mangan trong nước như: Pseudomonas (Ps. manganoxydans), Metallogenium (M. personatum, M. symbioticum), Leptothrix, Hyphomicrobium (H. vulgare).

Ưu điểm

• Xử lý tốt nước nhiễm mangan ngay từ nguồn nước ngầm
• Thân thiện với môi trường, không tạo nguồn thải độc hại khó xử lý

Nhược điểm

•  Điều kiện xúc tác oxy hóa sinh học cần đạt yêu cầu
•  Có thể gây hại cho bể chứa do tắc nghẽn sinh khối
• Chi phí đầu tư ban đầu cao

Phương pháp lọc màng

   Hiện nay công nghệ lọc màng đã được ứng dụng rất phổ biến trong ngành xử lý nước với các loại màng khác nhau cho thấy hiệu quả xử lý kim loại nặng. Mangan cũng là một trong số các kim loại nặng tồn tại có khả năng gây ô nhiễm nguồn nước tuy với mức độ nhẹ hơn các kim loại nặng nguy hiểm khác.

   Với màng lọc thẩm thấu ngược RO - là công nghệ lọc cho phép loại bỏ các vật thể có kích thước từ 0,0005 micromet trở lên ra khỏi dung dịch, công nghệ RO loại bỏ đến hơn 99 % các muối hòa tan, ion kim loại theo lý thuyết chỉ có phân tử nước mới đi qua được khe hở của màng, do đó việc loại bỏ ion Mn²⁺ là điều khá dễ dàng. Trong xử lý nước sinh hoạt đặc biệt là nước ăn uống, việc sử dụng công nghệ lọc RO đem lại nhiều ưu điểm như đơn giản, dễ sử dụng, chi phí hợp lý, loại bỏ được hoàn toàn ion kim loại khỏi nước đem lại nguồn nước tinh khiết.

Kết luận

   Nguồn nước là vốn sống của con người. Nước bị ô nhiễm ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống cũng như mọi hoạt động khác. Ô nhiễm mangan không mang đến hiểm họa như bệnh ung thư cho con người nhưng cũng để lại nhiều hậu quả về sức khỏe cũng như bất tiện trong sinh hoạt – đó là điều không mong muốn. Việc xử lý mangan trong nước khá đơn giản và có nhiều công nghệ được áp dụng hiện nay không chỉ để xử lý nó mà còn là quá trình kép xử lý đồng thời các kim loại khác có tính chất tương đồng như mangan.

   Tùy vào tính chất cũng như nồng độ mangan hay kim loại đi kèm trong nước mà mỗi gia đình lựa chọn một phương pháp xử lý hiệu quả, triệt để và mang tính kinh tế cao.