NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ CỦA BÙN ĐỎ TÂY NGUYÊN ĐỐI VỚI MỘT SỐ ION ĐỘC HẠI TRONG NƯỚC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.52 MB, 27 trang )
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
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.
Nguyễn Văn Thơm
1
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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.
Nguyễn Văn Thơm
2
Lớp K23-Cao học Hóa 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.
Nguyễn Văn Thơm
3
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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 khoẻ 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 điểm đột biến.
* Phương pháp đuổi khí (Air Stripping).
* Phương pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua.
* Phương pháp sinh học.
* Phương pháp trao đổi ion.
Nguyễn Văn Thơm
4
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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.
Nguyễn Văn Thơm
5
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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.
Nguyễn Văn Thơm
6
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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
Nguyễn Văn Thơm
7
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
3.1.2. Thành phần khoáng học của bùn đỏ nguyên liệu.
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample bun do
270
260
250
240
230
220
d=4.874
210
200
190
180
d=1.447
d=1.565
d=1.687
d=1.890
130
d=2.035
140
d=2.299
150
d=4.358
d=4.179
Lin (Cps)
160
d=2.508
d=2.725
d=2.685
170
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
2-Theta - Scale
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 °
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
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
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.
Nguyễn Văn Thơm
8
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Figure:
Experiment:Mau bun do
Crucible:PT 100 µl
18/09/2014 Procedure: RT ----> 800C (10 C.min-1) (Zone 2)
Labsys TG
Atmosphere:Air
Mass (mg): 36.98
TG/%
HeatFlow/µV
10
Exo
50
0
Peak :375.26 °C
Peak :318.69 °C
40
-10
-20
30
-30
20
-40
-50
10
Peak :151.38 °C
-60
0
-70
-80
-10
-90
Mass variation: -35.38 %
-20
-100
-110
-30
-120
Mass variation: -6.47 %
-40
-130
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
Furnace temperature /°C
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. Bùn đỏ trung hòa kiềm (TRMA).
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)
30
60
90
120
150
180
TRMA 150
TRMA 350
TRMA 500
Ce
(ppm)
qe
(mg/g)
Ce
(ppm)
qe
(mg/g)
Ce
(ppm)
qe
(mg/g)
3,09
2,91
2,87
2,97
2,89
2,90
0,691
0,709
0,713
0,703
0,710
0,709
1,55
1,39
1,01
1,14
1,04
1,05
0,845
0,861
0,899
0,886
0,896
0,895
2,97
2,63
2,17
2,30
2,28
2,19
0,703
0,737
0,783
0,769
0,772
0,781
Nguyễn Văn Thơm
9
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
T hấp phụ
(phút)
30
60
90
120
150
180
TRMA 600
TRMA 700
TRMA 800
Ce
(ppm)
qe
(mg/g)
Ce
(ppm)
qe
(mg/g)
Ce
(ppm)
qe
(mg/g)
4,45
4,14
3,91
3,89
3,95
3,94
0,555
0,586
0,609
0,610
0,606
0,606
5,04
4,64
4,22
4,33
4,39
4,23
0,496
0,536
0,578
0,567
0,560
0,577
7,46
7,05
6,65
6,97
6,80
6,87
0,254
0,295
0,322
0,301
0,320
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.
Nguyễn Văn Thơm
10
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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 hiển 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.
Nguyễn Văn Thơm
11
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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)
5
10
20
40
60
80
100
150
200
Ce(ppm)
0,52
1,01
1,25
3,24
3,78
7,03
10,45
33,45
66,05
qe(mg/g)
0,44
0,89
1,87
3,67
5,62
7,29
8,95
11,66
13,40
Ce/qe
1,16
1,12
0,67
0,88
0,67
0,96
1,17
2,87
4,93
Hình 3.6: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TRMA 350.
Nguyễn Văn Thơm
12
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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:
qmax
1
15,82(mg / g ) .
0, 0632
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.
TRMW 150
Thấp phụ
(phút)
30
60
90
120
150
180
Ce
(ppm)
3,36
3,22
2,93
2,79
2,84
2,82
qe
(mg/g)
0,664
0,678
0,707
0,721
0,716
0,718
TRMW 350
Ce
(ppm)
1,54
1,38
1,12
0,99
1,06
1,03
TRMW 600
T hấp phụ
(phút)
30
60
90
120
150
180
Ce
(ppm)
4,35
4,27
4,09
3,75
3,89
3,81
qe
(mg/g)
0,565
0,573
0,591
0,625
0,612
0,619
qe
(mg/g)
0,847
0,862
0,886
0,901
0,894
0,897
TRMW 700
Ce
(ppm)
4,65
4,51
4,43
4,17
4,31
4,21
qe
(mg/g)
0,535
0,549
0,556
0,583
0,569
0,579
TRMW 500
Ce
(ppm)
2,88
2,59
2,24
2,16
2,19
2,21
qe
(mg/g)
0,712
0,740
0,777
0,785
0,780
0,779
TRMW 800
Ce
(ppm)
7,53
7,21
6,98
6,68
6,82
6,71
qe
(mg/g)
0,247
0,279
0,301
0,333
0,319
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.
Nguyễn Văn Thơm
13
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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 hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMW 350.
Nguyễn Văn Thơm
14
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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
pHf
pH
2,04
7,25
5,21
4,54
8,22
3,68
6,45
8,24
1,79
8,61
8,29
-0,32
9,19
8,3
-0,89
12,19
8,93
-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.
Nguyễn Văn Thơm
15
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Bảng 3.7: Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMW 350.
C0(ppm)
5
10
20
40
60
80
100
150
200
Ce(ppm)
0,51
0,99
2,67
2,78
4,59
7,74
13,1
31,6
68,8
qe(mg/g)
0,45
0,90
1,73
3,72
5,54
7,22
8,68
11,84
13,12
Ce/qe
1,14
1,09
1,54
0,75
0,83
1,07
1,51
2,66
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.
Qua đó ta có thể xác định được tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu
TRMW 350 đối với asen là:
qmax
Nguyễn Văn Thơm
1
16,13( mg / g ).
0, 062
16
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
3.3. Vật liệu hấp phụ Amoni từ bùn đỏ.
3.3.1. Bùn đỏ trung hòa kiềm (TRMA).
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)
30
60
90
120
150
Thấp phụ
(phút)
30
60
90
120
150
TRMA 150
Ce
(ppm)
9,65
9,39
9,14
8,95
8,99
qe
(mg/g)
0,035
0,062
0,086
0,105
0,101
TRMA 600
Ce
(ppm)
7,07
6,53
6,24
6,07
6,18
qe
(mg/g)
0,293
0,347
0,376
0,393
0,382
TRMA 350
Ce
(ppm)
9,16
8,99
8,68
8,47
8,48
qe
(mg/g)
0,085
0,101
0,132
0,153
0,152
TRMA 700
Ce
(ppm)
8,27
8,03
7,78
7,66
7,69
qe
(mg/g)
0,173
0,197
0,222
0,234
0,231
TRMA 500
Ce
(ppm)
8,65
8,28
8,04
7,88
7,96
qe
(mg/g)
0,135
0,172
0,196
0,212
0,204
TRMA 800
Ce
(ppm)
9,70
9,52
9,38
9,27
9,29
qe
(mg/g)
0,030
0,048
0,062
0,073
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.
Nguyễn Văn Thơm
17
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
3.3.1.2. Thành phần khoáng học của vật liệu TRMA 600.
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample RMA-600C-4h
300
290
280
270
260
250
240
230
220
210
d=1.449
d=1.682
150
d=1.834
160
d=2.188
170
d=3.666
Lin (Cps)
180
d=2.124
190
d=2.504
d=2.687
200
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
2-Theta - Scale
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
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 -
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 hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMA 600.
Nguyễn Văn Thơm
18
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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.
Nguyễn Văn Thơm
19
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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 tính 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.
Qua đó ta có thể xác định được tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu
TRMA 600 đối với amoni là:
qmax
Nguyễn Văn Thơm
1
2,575(mg / g )
0,3883
20
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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)
30
60
90
120
150
Thấp phụ
(phút)
30
60
90
120
150
TRMW 150
Ce
(ppm)
9,42
9,24
9,01
8,79
8,87
qe
(mg/g)
0,058
0,076
0,099
0,121
0,113
TRMW 600
Ce
(ppm)
6,28
5,95
5,67
5,46
5,51
qe
(mg/g)
0,372
0,405
0,433
0,454
0,449
TRMW 350
Ce
(ppm)
8,91
8,71
8,57
8,24
8,31
qe
(mg/g)
0,109
0,129
0,143
0,176
0,170
TRMW 700
Ce
(ppm)
8,11
7,73
7,41
7,27
7,31
qe
(mg/g)
0,189
0,227
0,259
0,273
0,269
TRMW 500
Ce
(ppm)
8,22
7,91
7,69
7,56
7,59
qe
(mg/g)
0,178
0,209
0,231
0,243
0,240
TRMW 800
Ce
(ppm)
9,41
9,13
8,98
8,76
8,81
qe
(mg/g)
0,059
0,087
0,103
0,123
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.
Nguyễn Văn Thơm
21
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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 hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMW 600.
Nguyễn Văn Thơm
22
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
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
pHf
ΔpH
2,78
8,02
5,24
3,92
8,06
4,14
6,88
8,13
1,25
8,42
8,13
-0,29
10,81
8,38
-2,43
11,30
8,51
-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.
Nguyễn Văn Thơm
23
Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
