DSpace at VNU: Chế tạo vật liệu hấp phụ từ tro than bay sử dụng trong phân tích môi trường (Phần 1. Chế tạo chất hấp phụ từ tro than bay)

T ạp chí Khoa học Đ H Q G H N , K hoa học T ự n h iên và C ông nghệ 23 (2007) 160-165

Chế tạo vật liệu hấp phụ từ tro than bay sử dụng
trong phân tích môi trường
Phần 1. Chế tạo chất hấp phụ từ tro than bay
Đỗ Quang Huy1’*, Đàm Quốc Khanh1, Nghiêm Xuân Trường2, Nguyễn Đức Huệ'
1Trường

Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 1Trung tãm Nhiệt đới Việt-Nga, ĐHQGHN
N hận ngày 25 tháng 7 năm 2007

T ó m tắ t. T ro than b ay c ủ a nhà m áy nhiệt điện Phà Lại đư ợc x ừ lý với d u n g dịch N aO H 3,5M có
thề sừ dụng ỉàm chất hấp phụ tro n g phân tích m ôi trường. C ác p h ồ X R D và SEM đà đư ợc dùng đề
phân tích đánh giá vật liệu này. K êt quà phân tích cho thấy v ật liệu thu đư ợc sau x ừ lý kiềm có
chứ a các hạt rất nhỏ, hình cầu. Q uartz, M ullite và Z eolite P1 (N a) là các thành ph ần chính được
hình thành trong quá trình xử lý tro than bay bàng dung dịch kiềm .
0,5 gam chất hấp phụ tro than bay đã xừ lý với dung d ịch kiềm được nạp vào cộ t sắc kỷ có
kích thước 300m m X 6 m m dùng để thừ nghiệm tách hỗn hợp M I và M 2. K ét quà nhận đư ợc cho
thấy, vật liệu sử d ụng tro n g nghiên cứu có khà năng làm giầu và tách các chất cần phân tích tốt.
Độ thu hồi chất phân tích củ a hỗn hợ p M I và M 2 tương ứng là 83,3 - 89,5% và 51,28 - 93,75% .

than bay tro n g phân tích m ôi trư ờng sẽ góp

1. Đăt vấn đề
•

phần làm tă n g thêm ứng dụng cùa loại vật liệu
này.

N ước ta là m ột nư ớc đ an g phát triển, vấn đề
x ử lý, tái sử dụng rác thải cò n nhiều Iiạn chế,

bất cập. Ở V iệt N am , h àn g năm các nhà m áy

2. Thực nghiệm

nhiệt điện dùng than thải ra m ột lư ợng lớn tro
than bay. H iện nay hơn 50% tro than trên thế

2.1.

giới được tái sử dụng tro n g cô n g nghiệp sản

V^t liệu, hoá chất: T ro than bay của

xuất xi m ăng, tro n g xây d ụ n g (làm gạch, vật

nhà m áy n h iệ t điện Phả lại đư ợc sử dụng để

liệu nhẹ), vật liệu làm đư ờ ng. T ro n g nông

nghiên cứ u chế tạo vật liệu hấp phụ có cỡ hạt

nghiệp tro than bay đư ợc sử dụng làm phân

45fi.m - 63^171. C ác d u n g m ôi có độ tinh khiết

bón, đất nhân tạo, bảo quản n ô n g s ả n ,... N hưng

n an o g rad e

ờ V iệt N am tro than bay của các nhà m áy n hiệt

D iclo m etan . D ung dịch N aO H 3,5 M và HC1,

điện nói chung chư a được chú ý đúng m ức.

H 2SO 4 9 8 % có độ tinh khiết phân tích. Hỗn hợp

V iệc nghiên cứu chế tạo vật liệu sử dụng tro

đung dịch ch u ẩn H C H , D D D , D D E, D D T có

gồm

n-H exan, T o luen,

M etanol,

nồ n g độ m ồi ch ất là lOOppb ( M l) và hỗn hợp
dung dịch chuẩn gồm 17 đ ồ n g phân độc nhất

’ Tác giả liên hệ. ĐT. 84-4-8583905.
E-mail:

160


Đ.Q. H uy và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học T ự Nhiên và Công nghệ 23 (2007) 160-165

161

củ a D ioxin và F uran có nồng đ ộ m ỗi ch ất là

vào cộ t sắc ký thủy tinh có kích thước 300m m X

200ppb (M 2).

6 mm;

2.2. Thiết bị và dụng cụ dùng trong nghiên
cứu: H ệ thống sắc kí khí với d etectơ cộ n g kết

đư ợc hoạt hóa b ằn g 40 ml hỗn hợp toluen và
n -hecxan (1 :1 ) trư ớ c khi sử dụng. C ác hỗn hợp

điện

dung dịch chuẩn M I và M 2

tử

(G C /E C D )

và

d etectơ

khối

phổ

p h ía trên cột đư ợc nhồi 0,5g S i 0 2. C ột

đư ợc sử

dụng để

(G C /M S ) của hãng A gilent, M ỹ. H ệ phân tích

đánh giá k h ả

n ăn g tách ch ất của vật liệu hấp

nhiễu xạ tia X S IM E M S . D 5005, Đ ức; kính

phụ. Đ ối với

M I , các bước th ử nghiệm tách

hiển vi điện tử qu ét (S E M ) JS M -5300 Jeol,

ch ất như sau:

chuyển 100 nl hỗn hợp

N h ật và hệ thống m áy phân tích phổ h ấp thụ

cột, rử a

nguyên tử Perckin Elm er.

n -H exan v ớ i 3 phân đoạn, m ỗi phân đoạn lấy 5

2.3. Thực nghiệm
Chế tạo vật liệu hấp phụ từ tro than bay:
C ân 40g tro than b ay ch o vào b ình tam giác
chịu nhiệt, thêm v ào đó 200m l d u n g dịch N aO H
3,5 M [1]. H ỗn hợp đư ợ c khuấy và đun nóng ở
nh iệt độ 100°c tro n g 24 g iờ liên tục. Đ ể nguội
hỗn hợp đến nhiệt độ phòng, sau đó chuyển
toàn bộ hồn hợp v ào cốc thủy tinh. D ùng nước
cất nóng rửa sản phẩm tro than bay sau x ử lý
đến pH =7. Loại bỏ nư ớc khỏi m ẫu cách lọc hút
chân không với sự hỗ trợ cù a giẩy lọc băng
xanh. Sấy sản phẩm ở 1 0 5°c đến khối lượng
không đổi và đư ợ c b ảo quản tro n g bình hút ẩm

giải ch ất ra khỏi cột bằng

M I vào
15ml

ml. C ô cạn các phân đoạn bằng khí N 2 đến 0,2
ml. C ác p h ân đoạn m ẫu này đư ợc lưu giữ trong
lọ đ ụ n g m ẫu m ầu nâu ở nhiệt độ 5 ° c cho tới khi
p hân tích. Đối với m ẫu M 2, cột sắc ký đã chuẩn
bị đư ợc rử a cột bằng 40m l hỗn hợp toluen : nh exan ti lệ 1:1. C h uyển 50^1 m ẫu M 2 vào cột.
R ử a cộ t b ản g 15 ml n-H exan. C ác chất D ioxin
v à Furan được tách ra khỏi cột theo phương
pháp đã ch u ẩn hoá [2]. M ỗi phân đoạn 1 và 2
lấy lOmi, m ỗi phần đoạn 3, 4 và 5 lấy 5m l. Cô

cạn dung m ôi củ a các phân đoạn và lưu giữ
phần còn lại củ a m ẫu tro n g lọ m ầu nâu ở 5 °c
cho tới khi phân tích. Đ iều kiện phân tích các
m ẫu đư ợc chọn: cộ t sắc ký m ao quản H P 1701,

cho đến khi sừ dụng.

30m X 0 ,2 5 m m X 0,25p.m . C h ư ơ n g trinh nhiệt

Đánh giá vật liệu hấp phụ từ tro than bay
trước và sau xứ lý: Phân tích vật liệu trên m áy

độ cột 70°c, 2 phút, 20°/phút, 120°c, 5°/phút,

nhiễu xạ tia X vớ i điều kiện nguồn p h át xạ

khí m ang H e 1,2 m l/phút.

C uK ữ

260°c, 2 0 phút; d etectơ 280°C; injectơ 270°C;

ờ 40K V , 30 m A ; tốc đ ộ q u ét 40/phút;

độ chính xác 0,010, dải đo từ 2 - 550; tia tới
1,5406 A° ; chụp p h ổ ở nhiệt độ phòng 2 5 °c.

3. Kết quả và thảo luận

P hân tích kích th ư ớ c hạt cù a v ật liệu b ằn g kính

hiển vi điện tử q u y ét khi m ẫu đư ợc rửa sạch

T h àn h phần hóa học của tro than bay trước

bằng Etanol và sấy khô ở 105°c.

và sau k h i x ử lý đã đư ợc xác định và chi ra

Thừ nghiệm khà năng tách chất của vật liệu
hấp phụ: Vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro than

ừ o n g b ản g 1. M au tro than bay trư ớc và sau khi

bay đư ợc chiết soxh let b ằn g đ ung m ôi to lu en 24
giờ. Lấy 0,3g vật liệu h ấp phụ đã rử a sạch nạp

xử lý bằng kiềm được đánh giá thông qua kết
quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X và ảnh kính
hiển vi điện tử.

B ảng 1. T h àn h phần h óa học (% ) của tro than bay trư ớ c và sau khi x ử lý
T h àn h phần S i 0 2 A120 j K 20 N a 20
T rư ớ c
62,75 13,20 1,98 0,08
Sau__________5 3 ,0 6 16,60 2,66 0,18

M gO F e20 3
1,87 3,23
2,62 4 ,4 0

Z n O T i 0 2 C òn lại
2 ,1 0 1,70 1,19
2 ,8 0 2 ,30 2 ,08

C ác bon
12,1
13,3


162

Đ.Q. H uy và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học T ự N hiên và Công nghệ 23 (2007) 160-165

N hư vậy so với tro than bay ch ư a xử lý thì

vô định h ìn h gắn k ết tro n g cấu trúc khung dạng

thành phần hóa học của ừ o than bay sau xử lý

kim rắn c ủ a m u llit và q u artz tạo ra cấu trúc dị

có S i0 2 giảm , các thành p h ần k hác đều tảng.

thể của tấ t cả các th à n h phần tro, chính vì vậy

V iệc tăng thành phần A120 3 v à c trong tro than

p h ổ n h iễu x ạ tia X k h ô n g rõ nét.

bay sau xử lý sẽ làm tín h chất củ a v ật liệu thay

Phổ h ìn h 1 có m ộ t góc nhiễu xạ chính (20)

đổi theo. Đ iều này đ ư ợ c th ấy rõ khi n ghiên cứu

ở 26,8° đ ặc trư n g cù a Q u artz ( S i0 2). D ựa trên
thư viện p h ổ của m áy, các pic khác của Q uartz

phổ nhiễu xạ tia X và ảnh kính hiển vi điện tử.
Phổ nhiễu xạ tia X củ a tro than bay trước xử

còn ờ 20,9° ; 36,5° ; 39,5° ; 40,2° ; 42,5° ; 4 5 ,9 °;

lí cho số lượng đỉnh k h ông nhiều và m ột phần

50,1°; 54,9°; 68,1°. N h ư vậy trư ớ c khi xử lí tro

đường nền của phổ bị nâng cao, h ình 1. Phổ

than bay c h ứ a pha tin h th ể Q u artz là chù yếu.

nhiễu xạ tia X hình 9 cho th ấy tro n g tro than

Đ ối v ớ i m ẫu tro th an bay sau xử lý kiềm

bay chì có quartz ( S i0 2) và m u llit (A l 6Si 20 i3) là

cho phổ n h iễu xạ tia X cỏ đư ờ ng nền phẳng và

chủ yếu. T heo [1,3,4] đã chi ra ràng tro than

xuất hiện th êm các píc m ớ i, h ình 2. Đ iều đó cho

bay gồm các pha vô định hình, tinh thể và than

thấy khi x ử lý với kiềm 3,5M các pha vô định

dư; trong đó tinh thể gồm q u artz và m u llit

h ình có tro n g tro than b a y đã bị hòa tan, để lại

.m agnetit, hem atit. Pha vô định h ình chứ a nhôm

trong tro than b ay các o x it kim loại và nhữ ng

siỉicat có thể chiếm tới 75% khối lượng tro than

thành p h ần cơ bản của ữ o than bay là S i 0 2

bay và tồn tại khi nhiệt đ ố t th an thấp. T heo các

(5 3 ,0 6 % ), A 1 A (1 6 ,5 0 % ), F e 20 3 (4 ,4 0 % ),...
và 13,4% cacbon ch ư a ch áy hết.

tài liêu đã công bố [5,6], ữ o than b ay gồm thuỷ
tinh m ullit, quartz, spinel từ tính. Pha thuỳ tinh

V*ư*N-ftlEMEMS D5005 - M*u t (Tto toy)

Hình 1. Phổ nhiễu xạ tia X tro than bay trước xử lý.

T hành phần chính củ a tro than bay sau xử

trên, ừ o n g tro th an b ay sau x ử lý còn xuất hiện

lý kiềm được xác định từ phổ nhiễu xạ tia X,

thêm th àn h phần Z eo lit P1 (N a) với lượng khá

hình 2 cho thấy, ngoài thành phần Q uartz

lớn. C ác píc xuất hiện k h á rất rõ và m ạnh ở

(S i0 2 ), còn xuất hiện các píc đặc trư n g của

12,5°; 17,07°; 21,8°; 28,1°; 33,5°; 46,1° được

m ulỉite (A l 6Si20 i 3) rõ n ét ở 16,5°; 31°; 33,2°;

xác định đặc tru n g cho Z eo lit P1 (N a).

35,3°; 40,9°; 60,5°. B ên cạnh hai thành phần


Đ.Q. H u y và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQ GHN, Khoa học T ự Nhiên và Công nghệ 23 (2007) 160-165

163

V N U + t^ E M E K S 06005 K v*m M (*0 ế f )

I :

ĩ -

H inh 2. P hổ nhiễu xạ tia X tro than bay sau xử lý.

D ựa vào th ư viện phổ, Z eo lit P1 (N a) có

vô định h ìn h và có ch ứ a các hạt thô, thường có

công thức tổ n g cộ n g là N a 20 .A l 20 3 ( 3 , 5 5 ,3 )S i0 2 .nH 20 . Z eo lit P1 (N a) kết tinh theo hệ

góc cạnh v à đ ư ợ c bao phù bởi m ột lớp thuỷ tinh

m ạng tetrag o n al với th ô n g số m ạng a = b = c =
10,043A°. B ên cạnh th à n h p h ần chính Z eo lit P1
(N a), có thể Z eo lit P hilicite với công thứ c tổng
cộng là N a 20 .AI 20 3 ( 3 , 3 - 5 , 3 )S i 0 2 .nH 2 0 cũng đã
đư ợc hình thành khi x ử lý tro than bay bằng
kiềm . V iệc xác định hàm lư ợng của các Z eolit

hình thành sau xử lí kiềm và nhiệt sẽ được tiến
hành trong các nghiên cứ u tiếp theo.
Ả nh vi điện từ quét S E M , hình 3a cho thấy
trong tro than bay trư ớ c khi x ừ lý có tồn tại pha

vô định hình. Đ iều này giải thích tại sao phổ

nhiễu xạ tia X, hinh 1 cùa tro than bay chưa xử
lý lại k h ô n g rõ n ét và đ ư ờ n g nền không phẳng.
N gượ c lại, tro than bay sau khi x ử lý, lớp thủy
tinh vô đ ịn h hình n ày m ất đi, làm lộ rõ các hạt

ứ ò n , khá đ ồ n g đều và bề m ặt hạt không bị che
phủ bời các chất khác, hình 3b. Đ ặc biệt, bên
trong các hạt cùa v ật liệu tro than bay sau xử lý
đư ợc cấu thành từ nhiều hạt hình cầu và hình
sợi có kích thư ớ c rất nhò. Đ iều này có nghĩa bề
m ặt h ấp p h ụ của v ật liệu là rất lớn.

a
H ìn h 3. Ả nh S E M của tro than bay trước (a) và sau (b ) khi x ử lý.


164

Đ.Q. H u y và nnk. / Tạp chí Khoa học Đ H Q G H N , Khoa học T ự N hiên và Công nghệ 23 (2007) 160-165

Hiệu quá tách chất cùa tro than bay x ử lý
kiềm. C ác ch ất tro n g h ỗ n h ợ p M 1 đ ư ợ c tách ra

đ ánh g iá th ô n g q u a hiệu suất thu hồi chất, kết

khỏi cộ t sắc ký có ch ứ a 0,5 gam tro th an bay x ử

H C H , D D D , D D E , D D T tách trên cột là khá

lý kiềm chù y ếu tậ p tru n g tro n g p h ân đ o ạn 2 .

cao và ổ n định, nằm tro n g khoảng từ 83,3% đến

H iệu q u ả tách củ a cộ t đối v ớ i h ỗ n h ợ p M I đư ợc

89,5% .

q u ả nêu tro n g b ản g 2. H iệu suất thu hồi các chất

Bảng 2. Hiệu suất thu hồi chất ữong hỗn hợp M I trên cột tro than bay xử lý với kiềm (n = 3)
C h ất n g h iên cứ u
HCH
DDD
DDE
DDT

Số đểm d iện tích píc
C huẩn
M ầu
2 1 3 3 ,0 9 7
1871,735
3082,792
3701,015
8165,382
9123,811
l,3 4 9 6 e 4
1 ,1 3 14e4

H iệu suất thu hồi
(% )
87,7
83,3
89,5
84,0

C ác ch ất có tro n g h ỗ n h ợ p M 2 đ ư ợ c tách ra

Đ ể p h ân tích cảc ch ất tro n g m ẫu m ôi trư ờng

khỏi cộ t sắc ký có ch ứ a 0,5 gam tro th an b ay x ử

có n ồ n g độ thấp, cở p p b hoặc ppt cho phép

lý kiềm chủ yếu tập tru n g ờ phân đ o ạn 1. H iệu

chấp n h ận k ết quà tách ch ất đạt hiệu suất thu

suất thu hồi ch ất đ ư ợ c n êu b ả n g 3. H iệu suất thu

hồi ch ất từ 40 - 130% /3 /. N h ư vậy hiệu suất

hồi chất tính ch o phân đ o ạn

tá ch ch ất của cộ t sắc ký sử dụng tro than bay xử

1

nằm ừ o n g

lý kiềm đ ố i với n h ữ n g hỗn hợp M 2 nằm trong

khoảng từ 5 1 ,2 8 -8 8 ,2 3 % .

k h o ản g từ 51,28 - 8 8 ,2 3 % là chấp nhận được.
Bảng 2. Hiệu suất thu hồi chất trong hỗn hợp M2 trên cột tro than bay xử lý với kiềm (n = 3)

C h ất n g h iên cứ u

2378-T C D F
2 3 7 8 -T C D D
12378-P C D F
2 3 4 7 8 -P C D F
12378-PC D D
1 23478-H C D F
123678-H C D F
2346 7 8 -H C D F

Đ áp ứ n g d etec tơ
C h u ẩn

M ẫu

H iệu
su ất thu
h ồ i (% )

85
78
32
51
50
75
72
75

75

40
30
32
28
55
55
56

88,23
51,28
93,75
62,75
56,0
73,33
76 ,3 9
74,67

C hất n g h iên cứu
123478-H C D D

Đ áp ứ ng d etec tơ
C huẩn
M ầu
58
75

123678-H C D D
123789-H C D D
123789-H C D F
1234678-H C D F

1234678-H C D D
1234789-H C D F
O cta-C D D
O cta-C D F

55
l,5 7 e 4
l,8 5 e 4
2,19e4
l,8 1 e 4
l,7 9 e 4
l,4 7 e 4
2,16e4

T ừ kết quả n êu tro n g b ả n g 2 v à 3 ch o th ấy

tro than bay được xử lý bằng kiềm có thể sử
d ụ n g làm c h ất hấp phụ tro n g tá ch c h ất p h ụ c vụ
phân tích m ôi trư ờ ng. T u y n h iên , n h ữ n g k ết q u ả
thu đư ợ c ở ừ ê n chi là k ế t q u ả n g h iên cứu bư ớc
đầu, m uốn có n h ữ n g đ án h g iá sâu hơn cần phải
có n h ữ n g bư ớ c kh ảo sát tiế p th eo .

45
l,2 4 e 4
l,3 4 e 4
l,3 5 e 4
l,1 0 e 4
l,3 1 e 4
1,00e4

l,5 3 e 4

H iệu suât thu
hồi (% )
77,33
81,82
78,98
72,43
61,64
61,11
73,18
68,03
70,83

4. K ế t lu ậ n
T ro th a n b ay đ ư ợ c x ử lý bằng kiềm 3,5M có
k h ả n ăn g sử d ụ n g làm ch ất hấp phụ trong phân
tích m ôi trư ờ ng. T ừ v iệc khảo sát phổ nhiễu xạ
tia X và ảnh vi điện từ q u ét (SE M ) đối với tro
than b a y sau x ử lý k iềm nhận thấy sản phẩm tạo
thành là m ột hỗn hợp các hạt rất nhò, hình cầu


Đ.Q. H u y và nnk. i Tạp chí Khoa học ĐHQ GHN, Khoa học T ự N hiên và Công nghệ 23 (2007) 160-165

và tư ơ n g đối đ ồng đều; và tro n g đó có ch ứ a chủ
yếu là các hạt Q uartz, M ullite và Z eo lit P1
(N a). T ro than bay sau xử lý đ ư ợ c sử dụng để
đ án h giá khả n ăn g hấp phụ và tách ch ất đối với
hai hỗn hợp M I và M 2. H iệu suất thu hồi chất

đối với M I là 83,3 đến 89,5% , đối với M 2 là
51,28 đến 93,75% .

165

[2] Dioxin Q uality A ssurance A dvisory Com m ittee,
Intem al Q uality A ssurance Rcquirem ents for the
A nalysis o f D ioxins in Environm cntal Samples,
R eport E P S l/R M /23, O ctober 1992.
[3] D .w . Break, Z eoỉií M elecular sieves,
W iley & Sons. Inc, 1974.

John

[4] E. Flanigen, L.B. Eyland, M olecular Sieves
Z eoỉit I, W ashington, D.c, 1971.
[5] T. H enm i, C hem ical conversion o f coal as into
sythetic
Z eolit
and
its
recyling,
Nyu
Seram ikkusu. 10, 7 (1 9 9 7 )5 4 .

Tài liệu tham khảo
[1] Kim Wan Bok, Synthetic o f N a-Pl Zeolit from
coal flyash,«/. Ind. Eng. Chem. (1997) 185.

[6] H.G. Jang, T. Fukuyam e, T. Henmi, Effect o f

A dditional
ion-exchange
material
on
hydroponics o f M uskm elons, J. o f Shita 8,
1(1996) 223.

Produce absorbent material from coal fly ash using in
environmental analysis
Part ỉ. Produce absorbent material from coal fỉy ash
Do Quang Huy', Dam Quoc Khanh1, Nghiem Xuan Truông2, Nguyen Duc Hue1
1Colỉege

o f Sciences, VNU, 2Vietnam-Russian Tropical Center, VNU

C oal fly ash o f Phalai P o w er P lant after trea tm e n t w ith 3 .5 M N aO H can b e u se as absobent
m aterial in environm ental anaỉysis. X R D p attem s and S E M im ag es o f th e p ro d u ct in d icated th a t this
m aterial contain a very sm all and spherical beads. Q uartz, M u llite an d Z e o lite P1 (N a) w ere the m ain
com ponents íorm ed d u rin g the m o d iíĩcatio n process.
It is clear that an ex cellen t en rich m en t and sep eratio n o f the a n a ly te s o f in terest w ere ob tained for
M I and M 2 m ixtures using the 3Q0mm X 6 m m g lass co lu m n p a c k e d w ith 0.5 g o f co al fly ash after
alkaline treatm ent. T h e reco v ery o f su b stan ces in M I an d M 2 m ix tu re s w as 83.3 - 89.5% and 51.28 93.75% , appropriately.