Nghiên cứu hấp phụ Fe2+, Fe3+ trong dung dịch nước bằng chất xúc tác thải FCC từ Nhà máy lọc dầu Dung Quất

Bài viết Nghiên cứu hấp phụ Fe2+, Fe3+ trong dung dịch nước bằng chất xúc tác thải FCC từ Nhà máy lọc dầu Dung Quất trình bày một số kết quả về nghiên cứu hấp phụ Fe2+ , Fe3+ trong dung dịch nước bằng chất xúc tác FCC của Nhà máy lọc dầu Dung Quất đã thải bỏ, nhằm tận dụng nguồn vật liệu là chất xúc tác thải FCC rất lớn; giải quyết bài toán xử lý chất thải nguy hại và xử lý ion sắt trong dung dịch nước.

NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Fe2+, Fe3+ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG CHẤT XÚC TÁC THẢI FCC TỪ NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT HOÀNG THỊ LOAN - VÕ VĂN TÂN Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế Tóm tắt: Vật liệu xúc tác thải FCC biến tính dung dịch HCl khảo sát khả hấp phụ dung dịch Fe2+, Fe3+ FCC biến tính khảo sát đặc trưng thông qua phương pháp XRD, SEM IR Kết khảo sát điều kiện ảnh hưởng đến khả hấp phụ Fe2+, Fe3+ FCC biến tính cho thấy pH tốt cho q trình hấp phụ 6,2 Dung lượng hấp phụ cực đại Fe2+, Fe3+ FCC biến tính theo phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 7,16 (mg/g) 9,58(mg/g) Từ khóa: MỞ ĐẦU Như biết, trình phát triển khu công nghiệp, khu chế xuất góp phần tăng trưởng kinh tế, thúc đẩy đầu tư sản xuất cơng nghiệp, góp phần hình thành các khu đô thị mới, giảm khoảng cách kinh tế vùng,… Tuy nhiên, bên cạnh chuyển biến tích cực kinh tế tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái khu công nghiệp gây Thực tế, nhiều nhà máy khu công nghiệp hàng ngày thải nhiều chất thải có chứa ion sắt, ion kim loại nặng… tác động trực tiếp đến chất lượng nước [1-8] Nếu xử lý không triệt để làm nhiễm mơi trường nước kể nước mặt nước ngầm Để xử lý nước nhiễm ion sắt người dân địa phương dùng bể lọc, có chứa cát, sỏi sử dụng phương pháp dàn phun mưa, phương pháp sục khí hấp phụ qua than hoạt tính Trong viết này, chúng tơi trình bày số kết nghiên cứu hấp phụ Fe2+, Fe3+ dung dịch nước chất xúc tác FCC Nhà máy lọc dầu Dung Quất thải bỏ, nhằm tận dụng nguồn vật liệu chất xúc tác thải FCC lớn; giải toán xử lý chất thải nguy hại xử lý ion sắt dung dịch nước THỰC NGHIỆM Các hóa chất sử dụng nghiên cứu hóa chất tinh khiết phân tích (PA): Fe(NO3)3; NaOH; K2Cr2O7; NaNO3 ; CaCO3 ; Al(NO3)3; H2SO4; HCl; K2Cr2O7; KI; Vật liệu xúc tác thải FCC lấy từ nhà máy lọc dầu Dung Quất, Quảng Ngãi (được ký hiệu FCC0) Vật liệu xúc tác thải FCC1 hoạt hóa cách nung FCC0 nhiệt độ: 400 600oC Vật liệu xúc tác thải FCC2 hoạt hóa cách ngâm dung dịch HCl 10-20%, sấy khô nung nhiệt độ: 400 - 600oC Sử dụng vật liệu FCC0, FCC1, FCC2 để hấp phụ Fe2+, Fe3+ nồng độ xác định điều kiện: pH, nhiệt độ, thời gian có mặt ion lạ - Dung lượng hấp phụ Fe2+, Fe3+ vật liệu FCCi tính theo: Q  C0  Ccb V m - Hiệu suất hấp phụ Fe2+, Fe3+ vật liệu FCCi tính theo: H%  C  Ccb  100% C0 Trong đó: 274 KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC TRẺ 2016 11/2016 + Q : Dung lượng hấp phụ Fe2+, Fe3+ vật liệu FCCi, (mg/g) + C0 : Nồng độ dung dịch Fe2+, Fe3+ ban đầu, (mg/l) + Ccb : Nồng độ dung dịch Fe2+, Fe3+ đạt cân bằng, (mg/l) + V : Thể tích dung dịch Fe2+, Fe3+, (L) + m : Khối lượng vật liệu hấp phụ FCCi, (g) + H% : Hiệu suất hấp phụ Fe2+, Fe3+ vật liệu FCCi, (%) Ảnh SEM chụp máy Nova NanoSem FEI 450, hãng FEI, Mỹ phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ghi máy D8 Advance, Bruker, Đức, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Đại học Quốc gia Hà Nội; phổ hồng ngoại IR đo máy IR-Prestige21, Shimadzu khoa Hóa học, trường ĐHSP Huế KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khả hấp phụ vật liệu FCC (A) (B) (C) Hình Ảnh SEM FCC0 (A); FCC1 (B) FCC2 (C) Từ ảnh SEM hình vật liệu FCC0 (A); FCC1 (B) FCC2 (C), thấy bề mặt FCC2 có nhiều mao quản hơn, khe, tuyến mao quản rộng rãi so với vật liệu FCC0 FCC1 Nên vật liệu FCC2 có khả hấp phụ ion Fe2+, Fe3+ tốt Điều minh chứng cụ thể qua phổ hồng ngoại vật liệu FCC2 hấp phụ Fe2+, Fe3+ dung dịch nước, hình (A) 275 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – ĐẠI HỌC HUẾ CYS 2016 (B) Hình Phổ hồng ngoại FCC2 (A); FCC2 hấp phụ Fe2+, Fe3+ (B) Từ hình thấy rằng, phổ hồng ngoại vật liệu FCC2 (A) có dải hấp thụ mạnh rộng với cực đại hấp thụ khoảng 3442,94 cm-1 gán cho dao động hóa trị υ(OH), vật liệu FCC2 hấp phụ Fe2+, Fe3+ (B) dao động bị chuyển đến 3379,29 cm-1 Trong đỉnh hấp thụ 1639,49 cm-1 FCC2 (A) bị dịch chuyển sang 1635,64 cm-1 FCC2 (B) Chứng tỏ dao động hóa trị (C = O) bị thay đổi khả hấp phụ Fe2+, Fe3+ dung dịch Sự chuyển phía số sóng ngắn cho thấy ion Fe2+, Fe3+ có tương tác với O nhóm chức Kết nhiễu xạ tia X vật liệu FCC2 (A), FCC2 hấp phụ Fe2+ Fe3+ (B) trình bày hình 3, cho thấy vạch nhiễu xạ Fe2+ Fe3+ có cường độ vừa phải vị trí 2θ = 30o; 35o; 43o; 54o; 57o; 63o; điều cho thấy Fe2+ Fe3+ FCC2 hấp phụ Kết hợp với ảnh SEM, phổ hồng ngoại nhiễu xạ tia X, rõ ràng vật liệu FCC hoạt hóa tồn nhiều mao quản trống, thuận lợi cho việc hấp phụ Fe2+, Fe3+ dung dịch nước F a c u lty o f C h e m i s try , H U S , V N U , D A D V A N C E - B r u k e r - F C C 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 17 16 15 d=1.395 80 d=2.040 90 d=3.696 10 d=4.267 11 d=4.666 12 d=5.568 13 d=7.349 14 d=8.588 Lin (Cps) 18 70 60 50 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 - T h e t a - S c a le F ile : N h ie m F C C r a w - T y p e : T h /T h lo c k e d - S t a r t: ° - E n d : 8 ° - S t e p : ° - S t ep ti m e : s - T e m p : ° C (R o o m ) - T i m e S t a r t e d : s - - T h e t a : 86 ° - T h e t a : 0 ° - C h i : 0 ° - P h i: 0 ° - X : 0 -0 -0 1 ( * ) - S ilic o n O x id e - S i O - Y : 8 % - d x b y : - W L : 06 - C u b i c - a 2 0 - b 24 22 0 - c 2 0 - a lp h a 90 00 - b e t a 0 - g a m m a 0 0 - F a c e -c e n t e r e d - F ( ) - - - F = (0 FCC2 (A) 276 70 KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC TRẺ 2016 11/2016 F a c u lty o f C h e m i s tr y , H U S , V N U , D A D V A N C E - B r u k e r - fc c - F e 10 00 90 80 70 d=1.412 d=1.946 d=2.094 d=2.053 d=3.132 d=5.606 d=2.522 10 d=6.412 d=7.407 20 d=4.294 30 d=2.946 d=4.160 40 d=3.528 d=3.993 50 d=3.686 Lin (Cps) 60 0 10 30 40 50 60 70 80 - T h e t a - S c a le F il e : -0 -0 0 -0 N h ie m V 72 - 26 86 - 68 07 - 31 K H V L f c c - F e r a w - T y p e : T h / T h l o c k e d - S t a r t : 8 ° - E n d : ° - S te p : ° - S t e p t i m e : s - T e m p : ° C ( R o o m ) - T im e S ta r t e d : s ( C ) - D i a s p o r e - A l O ( O H ) - Y : % - d x b y : - W L : - O r t h o r h o m b i c - a 0 - b 0 - c 0 - a l p h a 0 - b e t a 0 0 - g a m ( C ) - T r id y m it e , s y n - S iO - Y : % - d x b y : - W L : - T r i c l in i c - a 0 - b 0 - c 3 - a lp h a 0 - b e t a - g a m m ( N ) - B e r t h ie r i n e - M - ( F e + , F e + ,A l) ( S i ,A l ) O ( O H ) - Y : % - d x b y : - W L : - M o n o c l i n i c - a 0 - b 3 0 - c 0 - a l p h a - - T h e t a : 8 ° - T h e t a : 0 ° - C h i : 0 ° - P h i : 0 ° m a 0 - P r i m i t i v e - P b n m ( ) - - 1 9 - I/ I c P D F a 0 - B a s e -c e n t e re d - C ( ) - - 2 - I / I c P D F 0 - b e t a 0 - g a m m a 0 - B a s e -c e n t e re d - C FCC2 (B) Hình Giản đồ XRD vật liệu FCC2 (A), FCC2 hấp phụ Fe2+; Fe3+ (B) 3.2 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ Fe2+, Fe3+ FCC2 Các thí nghiệm nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ Fe2+; Fe vật liệu FCC2 tiến hành điều kiện nồng độ thể tích dung dịch Fe2+; Fe3+, nhiệt độ 25oC Nhưng thời gian hấp phụ FCC2 tăng dần từ 10 đến 180 phút Kết trình bày hình 3+ (A) (B) Hình Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất dung lượng hấp phụ Fe2+(A); Fe3+(B) FCC2 Từ hình 4, thấy dung lượng hấp phụ hiệu suất hấp phụ Fe2+ (A); Fe3+ (B) tăng dần thời gian tăng từ 10 đến 120 phút đạt cân 120 phút Khoảng thời gian từ 120 đến 180 phút dung lượng hấp phụ tăng yếu Vì vậy, chúng tơi chọn thời gian 150 phút để nghiên cứu điều kiện 277 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – ĐẠI HỌC HUẾ CYS 2016 3.3 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Fe2+, Fe3+ FCC2 Các thí nghiệm nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Fe2+; Fe3+ vật liệu FCC2 tiến hành điều kiện Nhưng pH dung dịch Fe2+; Fe3+ thay đổi từ 1,1 đến 7,7 Hiệu suất dung lượng hấp phụ Fe2+; Fe3+ vật liệu FCC2 trình bày hình (A) (B) Hình Ảnh hưởng pH đến hiệu suất dung lượng hấp phụ Fe2+(A); Fe3+(B) FCC2 Từ hình 5, thấy pH tăng từ 1,1 đến 6,2 khả hấp phụ Fe2+; Fe3+ chất xúc tác thải FCC2 tăng nhanh, khoảng pH thấp trình hấp phụ FCC2 ưu tiên cho ion H+ Fe2+; Fe3+ bán kính ion H+ nhỏ nồng độ cao Nhưng pH tăng dần hấp phụ cạnh tranh ion H+ yếu đi, Fe2+; Fe3+ FCC2 hấp phụ tốt khoảng pH = 6,2 3.4 Ảnh hưởng Na+, Ca2+, Al3+, Mg2+ đến khả hấp phụ Fe2+, Fe3+ FCC2 Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng ion lạ: Na+; Ca2+; Al3+; Mg2+ có nồng độ thay đổi từ 0,1 đến 1,5M đến khả hấp phụ Fe2+; Fe3+ vật liệu FCC2 tiến hành điều kiện nồng độ thể tích dung dịch Fe2+; Fe3+ xác định, nhiệt độ 25oC, thời gian hấp phụ 150 phút, pH = 6,2 Kết ảnh hưởng chất nồng độ ion lạ: Na+; Ca2+; Al3+; Mg2+ đến khả hấp phụ Fe2+, Fe3+ FCC2 trình bày hình (A) (B) Hình Ảnh hưởng của: Na+; Ca2+; Al3+; Mg2+ đến khả hấp phụ Fe2+(A); Fe3+(B) FCC2 278 KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC TRẺ 2016 11/2016 Từ hình thấy rằng: Khi có mặt ion lạ Ca2+; Na+; Mg2+; Al3+ dung dịch, việc hấp phụ Fe2+; Fe3+, FCC2 hấp phụ thêm ion lạ Do đó, hiệu suất hấp phụ Fe2+; Fe3+ FCC2 giảm đi, theo chiều: Al3+ > Mg2+ > Na+ > Ca2+ Vì bán kính ion tăng dần theo thứ tự: 0,045 < 0,065 < 0,095 < 0,099 (nm) nên hiệu suất dung lượng hấp phụ Fe2+; Fe3+ giảm theo chiều ngược lại 3.5 Ảnh hưởng nồng độ đến khả hấp phụ Fe2+, Fe3+ FCC2 Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ dung dịch Fe2+; Fe3+; hiệu suất dung lượng hấp phụ vật liệu FCC2 tiến hành điều kiện tương tự Kết trình bày hình Hình Ảnh hưởng nồng độ đến hiệu suất dung lượng hấp phụ Fe2+(A); Fe3+(B) FCC2 Từ hình 7, thấy tăng nồng độ Fe2+ (từ 0,0108N đến 0,0549N), (A); Fe3+ (từ 0,0109N đến 0,0547N), (B) dung lượng hấp phụ Fe2+; Fe3+ có xu hướng tăng Khả hấp phụ dung dịch Fe2+ nồng độ xấp xỉ 0,0108N dung dịch Fe3+ nồng độ xấp xỉ 0,0109N FCC2 cho hiệu suất cao 3.6 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại theo Langmuir Freundlich Hình 9, biểu diễn phương trình đẳng nhiệt hấp phụ theo Langmuir Freundlich Fe2+(A), Fe3+(B) FCC2 Hình Phương trình Langmuir biểu diễn khả hấp phụ Fe2+(A), Fe3+(B) FCC2 279 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – ĐẠI HỌC HUẾ CYS 2016 Hình Phương trình Freundlich biểu diễn khả hấp phụ Fe2+(C), Fe3+(D) FCC2 Hệ số tương quan phương trình hình hình cho thấy phương trình hấp phụ langmuir (của Fe2+ Fe3+ R2 = 0,9958; R2 = 0,9960) mô tả tốt phương trình Freundlich (của Fe2+ Fe3+ R2 = 0,9895; R2 = 0,9898) trình hấp phụ Fe2+, Fe3+ vật liệu FCC2 Các kết cho thấy trình hấp phụ phù hợp với mơ hình Langmuir Từ độ dốc đường thẳng đồ thị phương trình Langmuir, tính dung lượng hấp phụ cực đại Fe2+, Fe3+ 7,16mg/g 9,58mg/g KẾT LUẬN - Đã hoạt hóa chất xúc tác thải FCC khảo sát đặc trưng chúng phương pháp nhiễu xạ tia X, phổ IR, chụp ảnh SEM Kết cho thấy chất xúc tác thải FCC2 hoạt hóa có khả hấp phụ cao - Đã nghiên cứu điều kiện để hấp phụ Fe2+, Fe3+ dung dịch nước đạt tối ưu nồng độ dung dịch Fe2+: 0,0108N; Fe3+: 0,0109N; pH= 6,2; thời gian hấp phụ đạt cân 150 phút - Khi có mặt ion lạ Ca2+, Na+, Mg2+, Al3+ dung dịch Fe2+, Fe3+ hiệu suất hấp phụ Fe2+, Fe3+ chất xúc tác thải FCC giảm theo chiều Al3+ > Mg2+ > Na+ > Ca2+ - Dung lượng hấp phụ cực đại Fe2+, Fe3+ chất xúc tác thải FCC lần lượt: 7,16mg/g; 9,58mg/g phù hợp tuân theo phương trình động học Langmuir TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] Vũ Thế Ninh, Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm (2015), “Chế tạo, đặc trưng ứng dụng nano oxit hỗn hợp La2O3-LaMn0,5Fe0,5O3 để hấp phụ As(V) từ dung dịch, Tạp chí Hóa học, Tập 53 (3E12), Tr 93-97 Nguyễn Thái Thạch Điểu, Võ Văn Tân (2014), “Nghiên cứu biến tính bentonit Phú Yên để hấp phụ La(III) nước”, Kỷ yếu Hội nghị Sau đại học lần thứ II, trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, Tr 183-190 Võ Quang Mai, Bùi Hải Đăng Sơn, Đặng Xuân Dự, Lê Công Nhân, Đinh Quang Khiếu (2015), “Hấp phụ Cadimi dung dịch mercaptopropyl/diatomit”, Tạp chí hóa học, Tập 53, Số 3E12, Tr 238-241 Nguyễn Thị Thanh Thủy, Võ Văn Tân (2013), “Chế tạo nghiên cứu khả hấp phụ La(III) vật liệu nano MnO2”, Kỷ yếu Hội nghị Sau đại học lần thứ I, trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế , Tr 91-97 Er Li, Xiangying Zeng, Yuehua Fan (2009), “Removal of Cr(III) from aqueous solution by manganese oxide and microemulsion modified diatomite” Desalination 238, pp 158-165 Y.M Scindia, A.K Pandey, A.V.R Reddy, S.B Manoharn (2004), Chemically selective membrance optode for Cr(VI) determination ion aqueous sample, Mumban Indian, Analytica Chimica Acta, Vol.515, Issue 2, pp.268 280 KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC TRẺ 2016 [7] [8] 11/2016 Pourreza N., Rastegadeh S., (2001), “Catalytic Spectrophotometric determination of Bromide based on the diphenylcacbazide-Chromium(VI)-Iodate reaction”, Journal of Analytical Chemistry, 56(8), 727-725 M.V.Balasama Krishna, K.Chandrasekoran (2005), “Speciantion of Cr(III) and Cr(VI) in water using immobilized moss and determination by ICP-MS”, Talanta 65, pp.133-135 Title: STUDY ON THE ADSORPTION OF Fe2+, Fe3+ IN SOLUTION BY THE WASTE FROM FLUIDIZED CRACKING CATALYST (FCC) OF DUNG QUAT OIL REFINERY FACTORY Abstract: The waste from fluidized cracking catalyst (FCC) was modified by HCl solution and used for Fe2+, Fe3+ adsorption in the dilute solution The product was characterized by XRD, SEM and IR methods The investigating results of the conditions affecting the Fe2+, Fe3+ adsorption ability of the modified FCC showed that the best pH value is 6.2 The maximum adsorption capacity of the modified FCC followed Langmuir’s isothermal equation is 7.16 (mg/g) and 9.58(mg/g) Keywords: Adsorption, Fe2+, Fe3+, FCC HOÀNG THỊ LOAN Học viên Cao học, chun ngành Hóa vơ cơ, khóa 23 (2014-2016), Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế VÕ VĂN TÂN Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm - Đại Học Huế 281 ... Mg2+, Al3+ dung dịch Fe2+, Fe3+ hiệu suất hấp phụ Fe2+, Fe3+ chất xúc tác thải FCC giảm theo chiều Al3+ > Mg2+ > Na+ > Ca2+ - Dung lượng hấp phụ cực đại Fe2+, Fe3+ chất xúc tác thải FCC lần lượt:... : Dung lượng hấp phụ Fe2+, Fe3+ vật liệu FCCi, (mg/g) + C0 : Nồng độ dung dịch Fe2+, Fe3+ ban đầu, (mg/l) + Ccb : Nồng độ dung dịch Fe2+, Fe3+ đạt cân bằng, (mg/l) + V : Thể tích dung dịch Fe2+,. .. tác thải FCC2 hoạt hóa có khả hấp phụ cao - Đã nghiên cứu điều kiện để hấp phụ Fe2+, Fe3+ dung dịch nước đạt tối ưu nồng độ dung dịch Fe2+: 0,0108N; Fe3+: 0,0109N; pH= 6,2; thời gian hấp phụ đạt