ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI - hus.vnu.edu.vn (331).pdf · quá trình khai thác, lưu trữ...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

…………………………

NGUYỄN VĂN THƠM

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ

CỦA BÙN ĐỎ TÂY NGUYÊN ĐỐI VỚI MỘT SỐ

ION ĐỘC HẠI TRONG NƯỚC

Chuyên ngành: Hóa môi trường

Mã số: 60440120

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN- ĐHQGHN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Hồng Côn

Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Thanh Bình

Phản biện 2: TS. Đào Ngọc Nhiệm

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn

tốt nghiệp thạc sĩ tại Đại học Khoa học tự nhiên- ĐHQGHN

vào ngày 18 tháng 12 năm 2015

Nguyễn Văn Thơm 1 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường

LỜI MỞ ĐẦU

Song song với sự phát triển của nền công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất

nước thì ô nhiễm môi trường đang trở thành một vấn đề cấp bách đối với toàn xã

hội. Bên cạnh quá trình sản xuất của các nghành công nghiệp thì đi cùng với nó

là một lượng lớn rác thải công nghiệp được thải ra môi trường.

Bùn đỏ là chất thải từ quá trình sản xuất nhôm từ quặng bauxite theo công

nghệ Bayer. Việc xử lý loại bỏ bùn đỏ là một vấn đề quan trọng đối với môi

trường vì hai lý do chính: một là bùn đỏ có độc tính do pH cao, hai là khối lượng

bùn đỏ thải ra rất lớn. Tác động đến môi trường của bùn đỏ có thể dẫn tới sự ô

nhiễm tầng nước ngầm hay ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt, ảnh hưởng

đến đất canh tác và thảm thực vật xung quanh khu vực khai thác và những nơi

thấp hơn. Do đó vấn đề cấp bách đặt ra là việc xử lý bùn đỏ thải ra sao cho hợp

lý và phù hợp với kinh tế.

Chính vì vậy, em đã thực hiện để tài nghiên cứu “ Nghiên cứu đánh giá

khả năng xử lý của bùn đỏ Tây Nguyên đối với một số ion độc hại trong

nước”, mà cụ thể trong đề tài này sẽ khảo sát đánh giá đối với asen và amoni.


CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN

1.1. Bùn đỏ

1.1.1. Nguồn gốc của bùn đỏ.

Bùn đỏ là chất thải trong quá trình sản xuất alumina từ quặng bauxite theo

công nghệ Bayer- sáng chế của Karl Joseph Bayer năm 1888. Quá trình sản xuất

alumina thực chất là quá trình làm giàu Al2O3 nhằm tách lượng Al2O3 trong

bauxite ra khỏi các hợp chất khác.

1.1.2. Thành phần và đặc điểm của bùn đỏ.

Bùn đỏ thải ra gồm có pha lỏng và pha rắn. Pha lỏng có tính kiềm mạnh

chứa thành phần nhôm tan trong kiềm. Pha rắn bao gồm các thành phần chính

như Fe2O3, Al2O3, SiO2, TiO2,…Thành phần khoáng của bùn đỏ chủ yếu bao

gồm Gibssite, Boemite, Hematite, Goethite, Manhetite,… cùng một số chất hóa

học khác nữa như Nitrogen, Potasium, Chromium,Zinc...

1.1.3. Tình hình bùn đỏ ở Tây Nguyên.

Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất chưa đầy đủ, nước ta có trữ lượng

khoáng sản Bauxite lớn phân bố rộng từ Bắc đến Nam với trữ lượng khoảng 5,5

tỷ tấn quặng nguyên khai; tương đương với 2,4 tỷ tấn quặng tinh; tập trung chủ

yếu ở Tây Nguyên. Do đó ngành công nghiệp sản xuất nhôm từ quặng Bauxite

đang được định hướng phát triển mạnh mẽ, đi kèm với nó là một lượng lớn bùn

đỏ được thải ra. Với quy hoạch phát triển bauxite ở Tây Nguyên, dự án alumin

Nhân Cơ công suất 600.000 tấn alumin/năm sẽ thải ra lượng bùn đỏ khô là

566.000 tấn/năm, dung dịch bám theo bùn đỏ là 610.000 tấn/năm; dự án alumin

Tân Rai sẽ thải ra lượng bùn đỏ khô là 636.720 tấn/năm, dung dịch bám theo

bùn đỏ là 687.720 tấn/năm. Hai nhà mấy alumin Nhân Cơ và Tân Rai có lượng

bùn đỏ thải ra khoảng 1,2-1,3 triệu tấn/năm.

1.1.4. Các phương pháp xử lý bùn đỏ.

Các phương pháp xử lý bùn đỏ hiện nay đang được áp dụng bao gồm các

phương án chính sau:

- Xử lý phần chất lỏng đi kèm bùn đỏ hoặc phát sinh trong hồ bùn đỏ

bằng cách tái sử dụng trong dây chuyền sản xuất hoặc trung hoà bằng nước biển

(trường hợp nhà máy đặt cạnh biển) hoặc trung hoà bằng CO2.

- Chôn lấp bùn đỏ đã thải, tiến hành hoàn thổ, phục hồi môi trường.


- Xử lý bùn đỏ từ bãi thải, dùng cho các ứng dụng như vật liệu xây dựng

(gạch, ngói,...), làm đường, chế biến sơn, chế tạo các vật liệu đặc biệt khác...

Việc lựa chọn các phương án xử lý bùn đỏ sau thải được thực hiện tùy

theo các nhà máy alumin cụ thể, tuy nhiên hiện nay phương án chôn lấp, hoàn

thổ chiếm ưu thế và được áp dụng rộng rãi, phương án chế biến bùn đỏ đang

được nghiên cứu, thử nghiệm vì chi phí để thực hiện cao, hiệu quả kinh tế thấp.

1.2. Vấn đề ô nhiễm nước.

Vấn đề ô nhiễm nước mặt, nước ngầm ngày càng trở nên nghiêm trọng,

có những nơi đến mức báo động. Nguyên nhân là do: rác tồn đọng nhiều trong

khu dân cư và chưa được xử lý, điều kiện vệ sinh môi trường khu vực dân cư

vừa thiếu, vừa không đảm bảo vệ sinh; hệ thống thoát nước và nước thải thường

xuyên bị ứ đọng, tắc; nước thải công nghiệp, các xí nghiệp, bệnh viện… hầu hết

không được xử lý hay làm sạch trước khi thải vào hệ thống thoát nước chung;

nhiều vùng, nguồn nước ngầm bị ô nhiễm, do gần các cơ sở có ô nhiễm nặng và

nguy hiểm. Nhiều nơi chất lượng nước suy giảm mạnh, nhiều chỉ tiêu về các

chất độc hại trong nước cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần.

1.2.1. Asen và các phương pháp xử lý Asen.

1.2.1.1. Nguồn gốc ô nhiễm Asen trong nước.

1.2.1.2. Tính chất vật lý và hóa học của Asen.

1.2.1.3. Độc tính của Asen.

Về mặt sinh học Asen là một chất độc có thể gây 19 bệnh khác nhau trong

đó có ung thư da và phổi. Mặt khác Asen có vai trò trong trao đổi nuclein, tổng

hợp protit và hemoglobin. Asen ảnh hưởng đến thực vật như một chất cản trở

trao đổi chất, làm giảm mạnh năng suất, đặc biệt trong môi trường thiếu

photpho. Độc tính của Asen với những sinh vật dưới nước tăng theo dãy

Asen→Asenit→Asenat→hợp chất Asen hữu cơ.

1.2.1.4. Tình hình ô nhiễm Asen hiện nay.

1.2.1.5. Các phương pháp xử lý Asen.

* Phương pháp tạo kết tủa.

* Phương pháp trao đổi ion.

*Phương pháp hấp phụ.

*Phương pháp sinh học.


1.2.2. Amoni và các phương pháp xử lý Amoni.

1.2.1.1. Nguồn gốc ô nhiễm Amoni trong nước.

1.2.1.2. Tính chất vật lý và hóa học của Amoni.

1.2.1.3. Tác hại của Amoni trong nước.

Amoni thật ra không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoe con người. Ở

trong nước ngầm Amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxi. Nhưng trong

quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý…Amoni được chuyển hoá thành nitrit

(NO2-) và nitrat (NO3

-) là những chất có tính độc hại tới con người, vì nó có thể

chuyển hoá thành Nitrosamin có khả năng gây ung thư cho con người.

Amoni còn là yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp thể hiện

ở hai khía cạnh:

+ Amoni trong nước làm giảm tác dụng của clo là tác nhân sát trùng chủ

yếu áp dụng ở các nhà máy nước Việt Nam, do phản ứng với clo tạo thành

monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém clo hơn 100 lần.

+ Amoni cùng với một số vi lượng trong nước (photpho, sắt, mangan…)

là “thức ăn” để vi khuẩn phát triển, gây hiện tượng “không ổn định sinh học”

của chất lượng nước sau xử lý. Nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống

dẫn, chứa nước. Nước bị xuống cấp về các yếu tố cảm quan (độ trong, mùi, vị).

1.2.1.4 Tình hình ô nhiễm Amoni hiện nay.

1.2.1.5 Các phương pháp xử lý Amoni.

* Phương pháp Clo hoá đến điêm đôt biến.

* Phương pháp đuổi khi (Air Stripping).

* Phương pháp Ozon hoá vơi xuc tác Bromua.

* Phương pháp sinh học.

* Phương pháp trao đổi ion.


CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM

2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn.

2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu.

Nghiên cứu, chế tạo các vật liệu hấp phụ Asen, Amoni trong nước có hiệu

quả cao trên cơ sở bùn đỏ Tây Nguyên. Khảo sát khả năng hấp phụ Asen,

Amoni của chúng.

2.1.2. Nội dung nghiên cứu.

- Nghiên cứu thủy phân, ổn định bùn đỏ bằng cách rửa kiềm, sấy, nung.

- Nghiên cứu thủy phân, ổn định bùn đỏ bằng cách trung hòa kiềm, rửa,

nung.

- Nghiên cứu xác định thành phần khoáng học của bùn đỏ sản phẩm sau ổn

định.

- Nghiên cứu hình thái và cấu trúc bề mặt của hai loại vật liệu bùn đỏ đã

được ổn định.

- Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ Asen của vật liệu được tạo ra.

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ Amoni của vật liệu được tạo ra.

- Xác định phương trình hấp phụ đẳng nhiệt của các ion trên các vật liệu

bùn đỏ được tạo ra.

2.2. Hóa chất và thiết bị dụng cụ.

2.2.1. Hóa chất.

2.2.2. Thiết bị và dụng cụ.

2.3. Phương pháp phân tích Asen và Amoni trong nước.

2.3.1. Phân tích Asen bằng phương pháp thủy ngân bromua.

2.3.2. Phân tích Amoni bằng phương pháp Nessler.

2.4. Chế tạo các loại vật liệu hấp phụ từ bùn đỏ.

Nguyên liệu chế tạo vật liệu hấp phụ là bùn đỏ Tây Nguyên được lấy từ

Tân Rai, Việt Nam có độ kiềm cao pH ≈12.


2.4.1. Bùn đỏ trung hòa kiềm (TRMA).

Sử dụng axit HCl 1M để trung hòa bùn đỏ về pH=7, sau đó rửa sạch ion

Cl- bằng nước cất. Bùn sau trung hòa được sấy khô ở 600C rồi nghiền mịn đem

sàng qua sàng rây 0,3mm và đem nung ở các nhiệt độ 1500C, 3500C, 5000C,

6000C, 7000C, 8000C trong 4h. Ta kí hiệu các loại vật liệu thu được sau khi nung

tương ứng là TRMA 150, TRMA 350, TRMA 500, TRMA 600, TRMA 700,

TRMA 800.

2.4.2. Bùn đỏ rửa nước đến pH=7 (TRMW)

Sử dụng nước cất để rửa bùn đỏ về pH=7, sau đó bùn đỏ được sấy khô ở

600C rồi nghiền mịn đem sàng qua sàng rây 0,3mm và đem nung ở các nhiệt độ

1500C, 3500C, 5000C, 6000C, 7000C, 8000C trong 4h. Ta kí hiệu các loại vật liệu

thu được sau khi nung tương ứng là TRMW 150, TRMW 350, TRMW 500,

TRMW 600, TRMW 700, TRMW 800.

2.5. Các phương pháp đánh giá đặc tính của vật liệu hấp phụ.

2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD).

2.5.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).

2.5.3. Phương pháp xác định giá trị pH tại điểm đẳng nhiệt.

2.5.4. Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu.

2.5.4.1. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ:

2.5.4.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.


CHƯƠNG 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Các đặc tính của bùn đỏ nguyên liệu.

3.1.1. Thành phần hóa học của bùn đỏ nguyên liệu.

Thành phần hóa học của bùn đỏ nguyên liệu được phân tích bằng phương

pháp huỳnh quang tia X (XRF). Kết quả phân tích thành phần hóa học của mẫu

bùn đỏ nguyên liệu được trình bày trong bảng 3.1.

Kết quả phân tích cho thấy, thành phần chính của bùn đỏ là Fe2O3, Al2O3,

SiO2 và TiO2. Trong đó thành phần sắt oxit chiếm tỉ lệ cao nhất 54%, thành phần

nhôm oxit là 13,2%. So với các số liệu ở bảng 1.1; 1.2; 1.3 ta thấy mẫu bùn đỏ

nguyên liệu có hàm lượng Fe2O3 lớn hơn, hàm lượng Al2O3 nhỏ hơn so với bùn

đỏ Bảo Lộc và bùn đỏ lấy ở nhà máy Tân Bình.

Bảng 3.1: Thành phần hóa học của bùn đỏ khô nguyên liệu.

STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả

1 Mất khi nung % 12,30

2 SiO2 % 5,14

3 Fe2O3 % 54,00

4 Al2O3 % 13,20

5 CaO % 2,61

6 MgO % 0,12

7 SO3 % 0,42

8 Na2O % 4,11

9 TiO2 % 7,27

19 Cr2O3 % 0,19

11 P2O5 % 0,19

12 V2O5 % 0,14

13 ZrO2 ppm 969

14 ZnO ppm 213

15 Cl- ppm 134


3.1.2. Thành phần khoáng học của bùn đỏ nguyên liệu.

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample bun do

00-029-0041 (D) - Gibbsite - Al(OH)3 - Y: 96.18 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 8.68400 - b 5.07800 - c 9.73600 - alpha 90.000 - beta 94.540 - gamma 90.000 - Primitive - P21/n (14) - 8 - 427.985

01-081-0464 (C) - Goethite, syn - FeO(OH) - Y: 70.06 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 4.60480 - b 9.95950 - c 3.02300 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pbnm (62) - 4

File: Thom mau bun do.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 15 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi: 0.00 °

Lin

(Cps

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

260

270

2-Theta - Scale

10 20 30 40 50 60 70

d=4.

874

d=4.

358

d=2.

725

d=2.

299

d=2.

035

d=1.

890

d=4.

179

d=1.

447

d=2.

508

d=2.

685

d=1.

687

d=1.

565

Hình 3.1: Giản đồ XRD của mẫu bùn đỏ Tân Rai.

Bằng phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen, thành phần khoáng học kết tinh

trong mẫu bùn đỏ được xác định theo hình 3.1. Ta thấy các tín hiệu đặc trưng và

thành phần chính trong cấu trúc pha của bùn đỏ là dạng Gibbsite Al(OH)3 và

goethite FeO(OH).

3.1.3. Kết quả chụp phân tích nhiệt của bùn đỏ nguyên liệu.

Mẫu bùn đỏ được phân tích nhiệt vi sai trong khoảng từ nhiệt độ phòng

(250C) đến 8000C, tốc độ tăng nhiệt 100C/phút. Qua kết quả phân tích nhiệt

(hình 3.2), ta thấy xuất hiện 3 peak, đó là ở các giá trị 151,380C, 318,690C và

375,260C. Giản đồ TGA cho thấy mẫu bùn đỏ suy giảm khối lượng ngay từ đầu

thực nghiệm, khi nhiệt độ tăng từ 250C đến 2750C, mẫu bùn đỏ giảm 35,38%

khối lượng đồng thời xuất hiện peak thu nhiệt rõ nét tại 151,380C liên quan đến

quá trình mất nước vật lí. Tiếp đó, từ 2750C đến 4000C, mẫu bùn đỏ giảm tiếp

6,46% khối lượng đồng thời xuất hiện 2 peak thu nhiệt rõ nét tại tại 2 giá trị

nhiệt 318,690C và 375,260C tương ứng với quá trình mất nước kết tinh và do

thay đổi dạng cấu trúc vật liệu chuyển từ Goethite sang Hematite. Từ 4000C đến

8000C mẫu bùn đỏ giảm khối lượng không đáng kể. Do vậy chúng tôi chọn đem

bùn đỏ nguyên liệu nung ở các nhiệt độ 1500C, 3500C, 5000C, 6000C, 7000C,

8000C rồi đem khảo sát khả năng hấp phụ của bùn đỏ thu được sau nung.


Furnace temperature /°C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

TG/%

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

HeatFlow/µV

-130

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Peak :151.38 °C

Peak :318.69 °CPeak :375.26 °C

Mass variation: -35.38 %

Mass variation: -6.47 %

Figure:

18/09/2014 Mass (mg): 36.98

Crucible:PT 100 µl Atmosphere:AirExperiment:Mau bun do

Procedure: RT ----> 800C (10 C.min-1) (Zone 2)Labsys TG

Exo

Hình 3.2: Kết quả phân tích nhiệt mẫu bùn đỏ nguyên liệu.

3.2. Vật liệu hấp phụ Asen từ bùn đỏ.


3.2.1.1. Khảo sát khả năng hấp phụ Asen của TRMA ở các nhiệt độ nung khác nhau.

Cách tiến hành: Lấy 1g vật liệu cần khảo sát cho vào thể tích 100ml dung

dịch Asen C0=10ppm, pH=7 rồi lắc trong các khoảng thời gian 30 phút đến 180

phút. Đem lọc qua giấy lọc băng xanh và xác định nồng độ Asen sau hấp phụ

bằng phương pháp thủy ngân bromua.

Bảng 3.2: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ As của TRMA

Thấp phụ

(phút)

TRMA 150 TRMA 350 TRMA 500

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

30 3,09 0,691 1,55 0,845 2,97 0,703

60 2,91 0,709 1,39 0,861 2,63 0,737

90 2,87 0,713 1,01 0,899 2,17 0,783

120 2,97 0,703 1,14 0,886 2,30 0,769

150 2,89 0,710 1,04 0,896 2,28 0,772

180 2,90 0,709 1,05 0,895 2,19 0,781


T hấp phụ

(phút)


Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

30 4,45 0,555 5,04 0,496 7,46 0,254

60 4,14 0,586 4,64 0,536 7,05 0,295

90 3,91 0,609 4,22 0,578 6,65 0,322

120 3,89 0,610 4,33 0,567 6,97 0,301

150 3,95 0,606 4,39 0,560 6,80 0,320

180 3,94 0,606 4,23 0,577 6,87 0,313

Kết quả thu được cho thấy TRMA 350 cho khả năng hấp phụ Asen cao

nhất, tải trọng hấp phụ đạt 0,899mg/g sau 90 phút hấp phụ và ổn định sau

khoảng thời gian đó. Do đó trong các khảo sát tiếp theo đối với vật liệu TRMA

ta chỉ tiến hành trên vật liệu TRMA 350.

3.2.1.2. Thành phần khoáng học của vật liệu TRMA 350.

Hình 3.3: Giản đồ XRD của vật liệu TRMA 350.

Bằng phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen, thành phần khoáng học kết tinh

trong mẫu TRMA 350 được xác định theo hình 3.3. Quá trình biến tính nhiệt đã

làm thay đổi cấu trúc vật liệu, ta không còn thấy tín hiệu dạng gibbsite Al(OH)3

và goethite FeO(OH) mà thay vào đó là tín hiệu của dạng hematite Fe2O3. Sự

thay đổi này là do sự dịch chuyển pha từ FeO(OH) về dạng Fe2O3 và Al(OH)3

chuyển về dạng vô định hình.


3.2.1.3. Phân tích bề mặt vật liệu TRMA 350.

Kết quả hình ảnh bề mặt vật liệu TRMA 350 qua kính hiển vi điện tử trên

hình 3.4 cho thấy vật liệu bùn đỏ sau khi được trung hòa bằng axit và nung ở

3500C có nhiều hạt kích thước nhỏ hơn 200nm, bề mặt vật liệu xốp, các khối kết

tụ thành các hạt xen lẫn vào nhau. Chính cấu trúc hạt và dạng xốp tạo điều kiện

thuận lợi hình thành các trung tâm, mầm hấp phụ của mẫu bùn đỏ sau khi được

biến tính.

Hình 3.4: Ảnh hiên vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMA 350.

3.2.1.4. Xác định pHpzc của vật liệu TRMA 350.

Kết quả xác định giá trị pH tại điểm đẳng điện của vật liệu TRMA 350

được biểu diễn trong bảng 3.3 và hình 3.5.

Bảng 3.3: Kết quả xác định pHpzc của vật liệu TRMA 350

pH 2,04 4,54 6,45 8,61 9,19 12,19

pHf 7,48 8,13 8,24 8,23 8,23 8,89

pH 5,44 3,59 1,79 -0,38 -0,96 -3,3

Hình 3.5: Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu TRMA 350.


Qua đồ thị cho thấy vật liệu TRMA 350 có giá trị pH tại điểm đẳng điện

là pHpzc=8,25. Giá trị pHpzc= 8,25 cho biết trong điều kiện thí nghiệm cụ thể bề

mặt vật liệu TRMA 350 mang điện tích âm hay dương, nếu tiến hành thí nghiệm

khảo sát vật liệu này ở môi trường pH < 8,25 thì bề mặt vật liệu mang điện tích

dương, ngược lại pH > 8,25 thì bề mặt vật liệu mang điện tích âm. Điều kiện

tiến hành thực nghiệm ở pH=7 do đó bề mặt vật liệu mang điện tích dương

thuận lợi cho quá trình hấp phụ Asen trong dung dịch khảo sát.

3.2.1.5. Tải trọng hấp phụ Asen theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.

Kết quả khảo sát (bảng 3.4) đối với vật liệu TRMA 350 cho thấy, nếu biểu

diễn quá trình hấp phụ theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir (hình 3.6) thì khá

phù hợp (giá trị R2 của đường thẳng Ce/qe theo Ce là 0,9706) và giá trị qmax tính

theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ này là 15,82mg/g.

Bảng 3.4: Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMA 350.

C0(ppm) Ce(ppm) qe(mg/g) Ce/qe

5 0,52 0,44 1,16

10 1,01 0,89 1,12

20 1,25 1,87 0,67

40 3,24 3,67 0,88

60 3,78 5,62 0,67

80 7,03 7,29 0,96

100 10,45 8,95 1,17

150 33,45 11,66 2,87

200 66,05 13,40 4,93

Hình 3.6: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TRMA 350.


Dựa vào đồ thị ta thấy phương trình Langmuir có dạng:

y = 0,0632x + 0,7132 với R2=0,9706.

Qua đó ta có thể xác định được tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu

TRMA 350 đối với asen là:

max

115,82( / )

0,0632q mg g .

3.2.2. Bùn đỏ rửa nước đến pH=7 (TRMW).

3.2.2.1. Khảo sát khả năng hấp phụ Asen của TRMW ở các nhiệt độ nung khác nhau.

Bảng 3.5: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ As của TRMW.

Thấp phụ

(phút)

TRMW 150 TRMW 350 TRMW 500

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

30 3,36 0,664 1,54 0,847 2,88 0,712

60 3,22 0,678 1,38 0,862 2,59 0,740

90 2,93 0,707 1,12 0,886 2,24 0,777

120 2,79 0,721 0,99 0,901 2,16 0,785

150 2,84 0,716 1,06 0,894 2,19 0,780

180 2,82 0,718 1,03 0,897 2,21 0,779

T hấp phụ

(phút)


Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

30 4,35 0,565 4,65 0,535 7,53 0,247

60 4,27 0,573 4,51 0,549 7,21 0,279

90 4,09 0,591 4,43 0,556 6,98 0,301

120 3,75 0,625 4,17 0,583 6,68 0,333

150 3,89 0,612 4,31 0,569 6,82 0,319

180 3,81 0,619 4,21 0,579 6,71 0,330

Kết quả thu được cho thấy TRMW 350 cho khả năng hấp phụ Asen là cao

nhất, tải trọng hấp phụ đạt 0,901mg/g sau 120 phút hấp phụ và ổn định sau

khoảng thời gian đó. Do đó các khảo sát tiếp theo đối với vật liệu TRMW ta chỉ

tiến hành trên vật liệu TRMW 350.


3.2.2.2. Thành phần khoáng học của vật liệu TRMW 350.

Hình 3.7: Giản đồ XRD của vật liệu TRMW 350.

Từ hình 3.7, ta thấy các tín hiệu đặc trưng và thành phần chính trong cấu

trúc pha của TRMW 350 so với TRMA 350 gần như hoàn toàn tương đồng.

Dạng gibbsite Al(OH)3 chuyển sang dạng vô định hình không thể hiện trên giản

đồ và goethite FeO(OH) chuyển thành hematite Fe2O3.

3.2.2.3. Phân tích bề mặt vật liệu TRMW 350.

Kết quả hình ảnh bề mặt vật liệu TRMW 350 qua kính hiển vi điện tử trên

hình 3.8 cho thấy vật liệu bùn đỏ sau khi được rửa nước về pH=7 và nung ở

3500C có nhiều hạt kích thước nhỏ hơn 200nm. So với mẫu vật liệu TRMA 350

ta thấy TRMW 350 bề mặt xốp hơn, các khối hạt co cụm nhiều hơn nên ta có dự

đoán vật liệu TRMW 350 sẽ cho hiệu suất hấp phụ Asen cao hơn vật liệu

TRMA 350.

Hình 3.8: Ảnh hiên vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMW 350.


3.2.2.4. Xác định pHpzc của vật liệu TRMW 350.

Kết quả xác định giá trị pH tại điểm đẳng điện của vật liệu TRMW 350

được biểu diễn trong bảng 3.6 và hình 3.9.

Bảng 3.6: Kết quả xác định pHpzc của vật liệu TRMW 350

pH 2,04 4,54 6,45 8,61 9,19 12,19

pHf 7,25 8,22 8,24 8,29 8,3 8,93

pH 5,21 3,68 1,79 -0,32 -0,89 -3,26

Hình 3.9: Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu TRMW 350.

Qua đồ thị cho thấy vật liệu TRMW 350 có giá trị pH tại điểm đẳng điện

là pHpzc=8,4. Giá trị pHpzc=8,4 cho biết trong điều kiện thí nghiệm cụ thể bề mặt

vật liệu TRMW 350 mang điện tích âm hay dương, nếu tiến hành thí nghiệm

khảo sát vật liệu này ở môi trường pH < 8,4 thì bề mặt vật liệu mang điện tích

dương, ngược lại pH > 8,4 thì bề mặt vật liệu mang điện tích âm. Điều kiện tiến

hành thực nghiệm ở pH=7 do đó bề mặt vật liệu mang điện tích dương thuận lợi

cho quá trình hấp phụ Asen trong dung dịch khảo sát.

3.2.2.5. Tải trọng hấp phụ Asen theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.

Kết quả khảo sát (bảng 3.7) đối với vật liệu TRMW 350 cho thấy, nếu

biểu diễn quá trình hấp phụ theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir (như hình

3.10) thì khá phù hợp (giá trị R2 của đường thẳng Ce/qe theo Ce là 0,9688). Do

vậy có thể thấy rằng, mặc dù thành phần và bề mặt của vật liệu rất phức tạp

nhưng quá trình hấp phụ theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir chiếm ưu

thế và giá trị qmax tính theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ này là 16,13mg/g.


Bảng 3.7: Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMW 350.


5 0,51 0,45 1,14

10 0,99 0,90 1,09

20 2,67 1,73 1,54

40 2,78 3,72 0,75

60 4,59 5,54 0,83

80 7,74 7,22 1,07

100 13,1 8,68 1,51

150 31,6 11,84 2,66

200 68,8 13,12 5,24

Hình 3.10: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TRMW 350.

Dựa vào đồ thị ta thấy phương trình Langmuir có dạng:

y = 0,062x + 0,8436 với R2=0,9688.


TRMW 350 đối với asen là:

max

116,13( / ).

0,062q mg g


3.3. Vật liệu hấp phụ Amoni từ bùn đỏ.


3.3.1.1. Khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của TRMA ở các nhiệt độ nung khác nhau.

Cách tiến hành: Lấy 1g vật liệu cần khảo sát cho vào thể tích 100ml dung

dịch Amoni C0=10ppm, pH=7 rồi lắc trong các khoảng thời gian 30 phút đến

180 phút. Đem lọc qua giấy lọc băng xanh và xác định nồng độ Amoni sau hấp

phụ bằng phương pháp so màu với thuốc thử Nessler.

Bảng 3.8: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của TRMA.

Thấp phụ

(phút)


Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

30 9,65 0,035 9,16 0,085 8,65 0,135

60 9,39 0,062 8,99 0,101 8,28 0,172

90 9,14 0,086 8,68 0,132 8,04 0,196

120 8,95 0,105 8,47 0,153 7,88 0,212

150 8,99 0,101 8,48 0,152 7,96 0,204

Thấp phụ

(phút)


Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

30 7,07 0,293 8,27 0,173 9,70 0,030

60 6,53 0,347 8,03 0,197 9,52 0,048

90 6,24 0,376 7,78 0,222 9,38 0,062

120 6,07 0,393 7,66 0,234 9,27 0,073

150 6,18 0,382 7,69 0,231 9,29 0,071

Kết quả thu được cho thấy TRMA 600 cho khả năng hấp phụ Amoni cao

nhất, tải trọng hấp phụ đạt 0,393mg/g và thời gian cân bằng hấp phụ là 120 phút.

Do đó trong các khảo sát tiếp theo đối với vật liệu TRMA ta chỉ tiến hành trên

vật liệu TRMA 600.


3.3.1.2. Thành phần khoáng học của vật liệu TRMA 600.

Hình 3.11: Giản đồ XRD của vật liệu TRMA 600.

Từ hình 3.11, ta thấy quá trình biến tính nhiệt khiến thành phần chính

trong bùn đỏ thô là Al(OH)3 và FeO(OH) bị mất nước và chuyển thành dạng

oxit. Đối với goethite FeO(OH) chuyển về dạng hematite Fe2O3 còn gibbsite

Al(OH)3 chuyển sang dạng vô định hình.

3.3.1.3. Phân tích bề mặt vật liệu TRMA 600.

Kết quả hình ảnh bề mặt vật liệu TRMA 600 qua kính hiển vi điện tử trên

hình 3.12 cho thấy vật liệu bùn đỏ sau khi được trung hòa bằng axit và nung ở

6000C có nhiều hạt kích thước nhỏ, bề mặt vật liệu xốp, các khối kết tụ thành

các hạt xen lẫn vào nhau. Chính cấu trúc hạt và dạng xốp tạo điều kiện thuận lợi

hình thành các trung tâm, mầm hấp phụ của mẫu bùn đỏ sau khi được biến tính.

Hình 3.12: Ảnh hiên vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMA 600.

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample RMA-600C-4h

00-002-0919 (D) - Hematite - Fe2O3 - Y: 82.39 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 5.02400 - b 5.02400 - c 13.71800 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c (167) - 2 -

File: Thom mau RMA-600C-4h.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 14 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi

Lin

(Cps

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

2-Theta - Scale

10 20 30 40 50 60 70

d=2.

687

d=2.

504

d=2.

188

d=1.

834

d=1.

682

d=1.

449

d=3.

666

d=2.

124


3.3.1.4. Xác định pHpzc của vật liệu TRMA 600.

Kết quả xác định giá trị pH tại điểm đẳng điện của vật liệu TRMA 600

được biểu diễn trong Bảng 3.9 và hình 3.13.

Bảng 3.9: Kết quả xác định pHpzc của vật liệu TRMA 600

pH 2,61 3,97 6.95 9.58 11.63

pHf 7,94 8,15 8.29 8.25 9.19

ΔpH 5,3 4,18 1.34 -1.33 -2.44

Hình 3.13: Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu TRMA 600.

Từ đồ thị ta thấy vật liệu TRMA 600 có giá trị pHpzc=8,1. Giá trị

pHpzc=8,1 cho ta biết trong điều kiện thí nghiệm cụ thể bề mặt vật liệu TRMA

600 mang điên tích âm hay dương, nếu tiến hành thí nghiệm khảo sát vật liệu

này ở môi trường pH< 8,1 thì bề mặt vật liệu TRMA 600 mang điện tích dương,

ngược lại ở môi trường pH>8,1 bề mặt vật liệu mang điện tích âm. Điều kiện

tiến hành thực nghiệm ở pH=7 do đó bề mặt vật liệu mang điện tích dương gây

khó khăn cho quá trình hấp phụ Amoni trong dung dịch khảo sát.

3.2.1.5. Tải trọng hấp phụ Amoni theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.

Kết quả khảo sát (bảng 3.10) đối với vật liệu TRMA 600 cho thấy, nếu

biểu diễn quá trình hấp phụ theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir (hình 3.14)

thì khá phù hợp (giá trị R2 của đường thẳng Ce/qe theo Ce là 0,9537). Do vậy có

thể thấy rằng, mặc dù thành phần và bề mặt của vật liệu rất phức tạp nhưng quá

trình hấp phụ theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir chiếm ưu thế và giá trị

qmax tính theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ này là 2,575 mg/g.


Bảng 3.10: Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMA 600.

C0(mg/l) Ce(mg/l) qe(mg/g) Ce/qe

10 6,07 0,393 15,45

50 30,6 1,940 15,77

100 74,6 2,54 29,37

150 130,08 1,992 65,30

200 176,69 2,331 75,80

Hình 3.14: Phương trình tuyến tinh Langmuir của vật liệu TRMA 600.

Dựa vào đồ thị ta thấy phương trình langmuir có dạng:

y = 0,3883x + 8,7318 với R2=0,9537.


TRMA 600 đối với amoni là:

max

12,575( / )

0,3883q mg g


3.3.2. Bùn đỏ rửa nước đến pH=7 (TRMW).

3.3.2.1. Khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của TRMW ở các nhiệt độ nung khác nhau.

Bảng 3.11: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của TRMW

Thấp phụ

(phút)


Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

30 9,42 0,058 8,91 0,109 8,22 0,178

60 9,24 0,076 8,71 0,129 7,91 0,209

90 9,01 0,099 8,57 0,143 7,69 0,231

120 8,79 0,121 8,24 0,176 7,56 0,243

150 8,87 0,113 8,31 0,170 7,59 0,240

Thấp phụ

(phút)


Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

Ce

(ppm)

qe

(mg/g)

30 6,28 0,372 8,11 0,189 9,41 0,059

60 5,95 0,405 7,73 0,227 9,13 0,087

90 5,67 0,433 7,41 0,259 8,98 0,103

120 5,46 0,454 7,27 0,273 8,76 0,123

150 5,51 0,449 7,31 0,269 8,81 0,120

Kết quả thu được cho thấy TRMW 600 cho khả năng hấp phụ Amoni cao

nhất, tải trọng hấp phụ đạt 0,454mg/g và thời gian cân bằng hấp phụ là 120 phút.

Do đó trong các khảo sát tiếp theo đối với vật liệu TRMW ta chỉ tiến hành trên

vật liệu TRMW 600.


3.3.2..2. Thành phần khoáng học của vật liệu TRMW 600.

Hình 3.15: Giản đồ XRD của vật liệu TRMW 600.

Quá trình biến tính nhiệt khiến thành phần chính trong bùn đỏ thô là

Al(OH)3 và FeO(OH) bị mất nước và chuyển thành dạng oxit. Đối với goethite

FeO(OH) chuyển về dạng hematite Fe2O3, còn gibbsite Al(OH)3 chuyển sang

dạng vô định hình.

3.3.2.3. Phân tích bề mặt vật liệu TRMW 600.

Kết quả hình ảnh bề mặt vật liệu TRMW 600 qua kính hiển vi điện tử trên

hình 3.16 cho thấy vật liệu bùn đỏ sau khi được rửa nước về pH=7 và nung ở

6000C có nhiều hạt kích thước nhỏ, bề mặt vật liệu xốp, các khối kết tụ thành

các hạt xen lẫn vào nhau. So với mẫu vật liệu TRMA 600 thì TRMW 600 có bề

mặt xốp hơn, các khối hạt co cụm nhiều hơn nên ta có dự đoán vật liệu TRMW

600 sẽ cho hiệu suất hấp phụ Amoni cao hơn.

Hình 3.16: Ảnh hiên vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMW 600.


3.3.2.4. Xác định pHpzc của vật liệu TRMW 600.

Kết quả xác định giá trị pH tại điểm đẳng điện của vật liệu TRMW 600

được biểu diễn trong Bảng 3.12 và hình 3.17.

Bảng 3.12: Kết quả xác định pHpzc của vật liệu TRMW 600

pH 2,78 3,92 6,88 8,42 10,81 11,30

pHf 8,02 8,06 8,13 8,13 8,38 8,51

ΔpH 5,24 4,14 1,25 -0,29 -2,43 -2,79

Hình 3.17: Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu TRMW 600.

Từ đồ thị hình 3.17 ta thấy vật liệu TRMW 600 có giá trị pHpzc=8,2. Giá

trị pHpzc =8,2 cho biết trong điều kiện thí nghiệm cụ thể bề mặt vật liệu mang

điên tích âm hay dương, nếu tiến hành thí nghiệm khảo sát vật liệu này ở môi

trường pH< 8,2 thì bề mặt vật liệu mang điện tích dương, ngược lại pH> 8,2 bề

mặt vật liệu mang điện tích âm. Điều kiện tiến hành thực nghiệm ở pH=7 do đó

bề mặt vật liệu mang điện tích dương gây khó khăn cho quá trình hấp phụ

Amoni trong dung dịch khảo sát.

3.3.2.5. Tải trọng hấp phụ Amoni theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.

Kết quả khảo sát (bảng 3.13) đối với vật liệu TRMW 600 cho thấy, nếu

biểu diễn quá trình hấp phụ theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir (hình 3.18)

thì khá phù hợp (giá trị R2 của đường thẳng Ce/qe theo Ce là 0,933). Do vậy có

thể thấy rằng, mặc dù thành phần và bề mặt của vật liệu rất phức tạp nhưng quá

trình hấp phụ theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir chiếm ưu thế và giá trị

qmax tính theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ này là 6,25 mg/g.


Bảng 3.13: Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMW 600


10 5,46 0,454 12,03

50 34,45 1,555 22,15

100 73,22 2,678 27,34

150 121,33 2,867 42,32

200 161,31 3,869 41,69

Hình 3.18: Phương trình tuyến tinh Langmuir của vật liệu TRMW 600 .

Phương trình tuyến tính Langmuir:

y = 0,16x + 14,309 với chỉ số chính xác R2=0,933.


TRMW 600 đối với amoni là:

max

16,25( / )

0,16q mg g


KẾT LUẬN

Trong quá trình thực hiện luận văn nghiên cứu sử dụng bùn đỏ làm vật

liệu xử lý các ion độc hại trong nước, chúng tôi thu được một số kết quả chính

sau:

1. Chế tạo được vật liệu hấp phụ từ bùn đỏ thô – sản phẩm thải của quá

trình sản xuất nhôm từ quặng bauxite.

2. Đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá đặc tính của vật liệu thông qua các

phương pháp như: SEM, X-Ray, xác định giá trị pHpzc.

3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Asen của các vật liệu cho thấy vật liệu

TRMW 350 có tải trọng hấp phụ cao nhất với qmax= 16,13mg/g.

5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Amoni của các vật liệu cho thấy vật liệu

TRMW 600 có tải trọng hấp phụ cao nhất với qmax=6,25mg/g.

5. Các số liệu kết quả thực nghiệm thu được đều được mô tả tốt bằng mô

hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.

Các kết quả trên đã chứng minh khả năng nghiên cứu sử dụng bùn đỏ làm

nguyên liệu chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý các ion độc hại có trong nước là hoàn

toàn khả quan.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI - hus.vnu.edu.vn (331).pdf · quá trình khai thác, lưu trữ...

Documents

Transcript of ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI - hus.vnu.edu.vn (331).pdf · quá trình khai thác, lưu trữ...