22901-Article Text-76538-1-10-20160128.Pdf

Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học – Tập 20, số 3/2015 NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ QUẶNG TỰ NHIÊN ĐỂ XỬ LÝ PHOTPHAT TRONG NƯỚC THẢI HĨA CHẤT VÀ PHÂN BĨN Đến tồ soạn 16 - - 2015 Nguyễn Thị Huệ, Nguyễn Thị Hương Giang, Vũ Văn Tú Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Nhà A30, số 18-Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Chu Việt Hải Khoa Nước - Môi trường - Hải dương, Trường Đại học Khoa học Công nghệ Hà Nội Tòa trung tâm đào tạo, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam 18-Hồng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Hồng Minh Thắng Khoa Mơi trường, Trường Đại học KHTN, ĐHQG SUMMARY STUDY ON AND FABRICATION OF MATERIAL FROM VIETNAM NATURE ORE TO REMOVING PHOSPHATE IN WASTE WATER CONTAINING CHEMICAL AND FERTILIZER Fabricated material to move phosphate ion on the basis of modified natural pyrolusit ore is a relatively new technology Selection of solution to manufacture material with the highly selective and high adsorption capacity is a purpose this study Optimal conditions such as pH, time modified, modified environment is investigated The study results showed that at the values pH of 3, heat denatured at 400oC and impregnate the material in 7% HNO3 acid was received material capable of adsorbing phosphate was the best SEM imaging result showed that surface morphological structure of the material was much change after pyrolusite impregnating in acid solution The concentration of phosphate ions is of 10 ppm was decreased below the permitted standard (QCVN 40: 2011) Pyrolusite material was modified by heat and chemical methods for simultaneously treating efficiency of arsenic and phosphorus in waste water containing fertilizers and chemicals are feasible Keywords: Pyrolusite ore, denatured method, waste water, fertilizer, chemical 309 MỞ ĐẦU Nguồn nước thải nhiều ngành công nghiệp sản xuất phân bón, hóa chất, xử lý bề mặt kim loại, có chứa hàm lượng photphat cao Theo QCVN 40:2011, hàm lượng cho phép photpho mg/L Một số loại hình cơng nghệ sử dụng để loại bỏ ion photphat phương pháp kết tủa, trao đổi ion, hấp phụ phương pháp hữu hiệu để loại bỏ chúng nước thải Trong đó, phương pháp hấp phụ phương pháp áp dụng rộng rãi với nguồn vật liệu đa dạng phong phú Sử dụng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên bentonit, zeolit, pyrolusit, loại bỏ ion photphat đạt hiệu 90% Nghiên cứu sử dụng dạng oxit, hydroxit kim loại có hố trị cao để loại bỏ PO43- nguồn nước ô nhiễm cho thấy, việc sử dụng trực tiếp hợp chất có chi phí cao khó khăn ứng dụng qui mô công nghiệp Hướng nghiên cứu cố định ion kim loại lên quặng tự nhiên có dung lượng hấp phụ thấp (pyrolusit) chuyển hoá thành dạng ôxit, hydroxit hoạt tính cao để tạo vật liệu hấp phụ Khi ion kim loại giữ chất mang làm thay đổi tính chất hấp phụ theo hướng tăng cường độ chọn lọc, nâng cao tải trọng hấp phụ thuận tiện thao tác đồng thời giảm chi phí Mặt khác, sử dụng quặng pyrolusit tự nhiên sẵn có phía bắc Việt Nam, giá thành thấp có khả tái sinh, khơng gây ô nhiễm thứ cấp giải pháp tối ưu Pyrolusit loại khống chất có nhiều phía bắc Việt Nam, đặc biệt vùng Tuyên 310 Quang,Cao Bằng Việc nghiên cứu, sử dụng lĩnh vực xúc tác, AOPs xử lý môi trường nghiên cứu phịng thí nghiệm Pyrolusit chứa chủ yếu MnO2 Fe2O3 hỗn hợp lai hóa trị 4, việc đồng kết tủa hai oxit để chúng nằm xen kẽ với nhau, tạo tâm hoạt động mạnh Khi hoạt hóa bề mặt pyrolusit dopping nguyên tố khác vào sắt oxit mangan oxit hướng mở có nhiều triển vọng MnO2 hoạt động khơng chất hấp phụ tốt mà cịn đóng vai trị chất oxi hóa đủ mạnh, đặc biệt dạng nano, MnO2 Fe2O3 cịn có tính chất ưu việt khác xử lý đối tượng khác As, amoni, Pyrolusit sau biến tính có khả xử lý đồng thời photphat ion khác asen, amoni, flo,… môi trường nước hiệu Đây hướng chế tạo vật liệu mới, tài liệu cơng bố Chính vậy, việc nghiên cứu, chế tạo vật liệu hấp phụ photphat sở biến tính quặng pyrolusit đặt Mục đích báo đưa kết nghiên cứu ban đầu q trình khảo sát tính chất vật liệu mơi trường khác để tìm kiếm dung lượng hấp phụ tối ưu ion Photphat vật liệu quặng Pyrolusit Cao Bằng THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu hóa chất 2.1.1 Hóa chất thiết bị Hóa chất pha chuẩn gốc photphat nồng độ 10mg/L hóa chất khác phục vụ cho trình nghiên cứu NaOH, HCl, H2SO4 hóa chất tinh khiết phân tích mua từ hãng Merck, Đức Các thiết bị sử dụng cho trình chuẩn bị mẫu cân phân tích AFA-210LC (ADAM, Anh), tủ sấy (Shelab, Đức), lị nung (Carbolite, Anh), máy lắc KS 501D (Werke, Đức) thiết bị phân tích quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 2450 (Shimadzu, Nhật Bản) 2.1.2 Vật liệu Quặng Pyrolusit sử dụng báo có nguồn gốc từ tỉnh Cao Bằng, thành phần quặng MnO2 60 % sắt 4,7 % (tính theo hàm lượng Fe2O3) Quặng Pyrolusit sau lấy nghiền cối sứ, rây lấy kích thước hạt từ 0,2÷0,5mm Sau rửa nước cất sấy 1050C Vật liêu sau sấy để nguội, lưu mẫu túi đựng mẫu Để biến tính quặng theo phương pháp khác biến tính nhiệt, acid, bazo, tiến hành cân 50g quặng Pyrolusit (kích thước 0,2÷0,5 mm) vào cốc nung Nung quặng nhiệt độ khác (300÷900C ) thời gian 1h Vật liệu sau nung để nguội tủ hút, lưu mẫu túi đựng mẫu 2.2 Chuẩn bị mẫu Để đánh giá khả hấp phụ photphat vật liệu thô, vật liệu biến tính nhiệt biến tính axit, thí nghiệm tiến hành đánh giá khả hấp phụ vật liệu với kích thước 0,2 ÷0,5 mm khoảng pH (3÷10) thời gian (0,5h; 1h;1,5h; 2h; 3h; 4h; 5h; 6h) khác sau: Cân 1g vật liệu (biến tính nhiệt, biến tính axit) cho vào bình tam giác 250ml có chứa 100ml dung dịch PO43- nồng độ 10 mg/L pH điều chỉnh đến giá trị mong muốn Với loại vật liệu, lắc mẫu với tốc độ 150 vòng/phút thời gian thích hợp Mẫu sau lắc, lọc mẫu tiến hành phân tích lượng PO43- dư dung dịch theo standard method 4500 - P.E 2012 TCVN 6202-2008 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khả hấp phụ vật liệu biến tính nhiệt Vật liệu biến tính khoảng nhiệt độ khác từ 300oC - 900oC Lắc mẫu thời gian 2giờ, vật liệu sau biến tính 400C đạt hiệu suất xử lý tốt (26,58%), vật liệu biến tính 900C hiệu suất xử lý thấp (8,15%) Do đó, sử dụng vật liệu biến tính nhiệt 400C để khảo sát yếu tố ảnh hưởng khác đến khả hấp phụ photphat pH, thời gian hấp phụ Vật liệu biến tính nhiệt 400C có hiệu xử lý photphat cao (hình1) Điều nhiệt độ khoảng 300÷500C, tạp chất bám dính bề mặt vật liệu làm dẫn đến khả tiếp xúc chất hấp phụ bị hấp phụ tăng lên, vật liệu nung nhiệt độ cao (đặc biệt 800C 900C) cấu trúc quặng bị phá vỡ, liên kết hóa học bị bẻ gãy, thành phần quặng Pyrolusit có chứa P (dạng tồn P2O5) với thời gian lắc lâu lượng photphat dung dịch PO43- tăng lên Hình 1: Khả hấp phụ photphat vật liệu biến tính nhiệt 311 3.2 Ảnh hưởng pH đến khả hấp liệu tối ưu để thực trình khảo phụ Photphat vật liệu biến tính nhiệt Thực thí nghiệm mơ tả sát sau So với vật liệu biến tính nhiệt (hình1) khả hấp phụ photphat (phần 2.2) với giá trị pH khác (3÷10), kết thu hình Các vật liệu biến tính axit tốt (26,58% so với 35,05%) giá trị pH khác khả hấp phụ vật liệu khác nhau, pH thấp hiệu hấp phụ cao ngược lại Tại pH=10 vật liệu không xử lý (0,77%), pH=3 khả hấp phụ vật liệu lớn (đạt 48,76%) Hình 3: Khả hấp phụ photphat vật liệu biến tính axit 3.4 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Photphat vật liệu biến tính axit Khảo sát giá trị pH khác nhau, kết Hình Khả hấp phụ ion photphat vật liệu biến tính nhiệt theo pH Trong khoảng khảo sát pH (3÷10) vật liệu biến tính nhiệt hiệu xử lý photphat giảm dần Điều thu hình Ta thấy, giá trị pH khác khả xử lý vật liệu khác nhau, pH=3 hiệu suất hấp phụ vật liệu biến tính axit HNO3 7% cao (59,90%) môi trường axit, mangan bị khử dạng Mn2+ nên dễ dàng kết tủa với PO43và bám dính bề mặt vật liệu 3.3 Khả hấp phụ vật liệu biến tính axit Lấy 50g vật liệu cho vào bình tam giác 250ml có chứa 100ml dung dịch axit HCl Hình 4: Khả hấp phụ ion photphat vật liệu biến tính axit theo pH HNO3 nồng độ 5%, 7%, 9% Lắc mẫu với tốc độ 150 vòng/phút 4h Lắc 3.5 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp thụ Photphat vật liệu biến xong, rửa quặng mơi trường trung tính tính nhiệt axit Thời gian lắc khác khả xử lý nước cất sấy vật liệu 105C 1h Kết hình cho thấy, vật liệu biến tính HCl HNO3 khoảng nồng độ tương đương 7% đạt hiệu tốt (26,7% 35,05%) Do đó, vật liệu biến tính HNO3 7% vật 312 khác nhau, lắc lâu hiệu xử lý tốt Do chưa có thời gian nghiên cứu thêm nên thí nghiệm khảo sát đến 6giờ Từ đến hiệu suất hấp phụ tăng từ từ nên với suy đoán tăng them thời gian nhiều hiệu suất tăng phương pháp hóa học (HNO3 7%) hiệu khơng nhiều Trong phạm vi khảo sát h chọn thời gian tốt cho suất tăng lên đến 59,9% Như q trình biến tính vật liệu có hiệu làm tăng trình nghiên cứu hai vật liệu biến tính theo phương pháp gia nhiệt (hình 5a) khả hấp phụ ion photphat vật liệu pyrolusit Việc đưa thêm hợp chất khác axit (hình 5b) La3+, Ce3+ hứa hẹn hiệu hấp phụ photphat tốt LỜI CẢM ƠN: Bài báo hồn thành nhờ hỗ trợ kinh phí từ “Chương trình nghiên cứu khoa học, ứng dụng chuyển giao công nghệ phát triển ngành công nghiệp môi trường” thực “Đề án Phát triển ngành công nghiệp môi trường đến Hình 5a Khả hấp phụ ion photphat vật liệu biến tính nhiệt theo thời gian năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”, Bộ Cơng thương Tập thể tác giả xin trân trọng cám ơn giúp đỡ quý báu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Cát (2002) Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lý nước nước thải, NXB Thống Kê, Hà Nội [2] Lê Văn Cát (2007) Xử lý nước thải Hình 5b: Khả hấp phụ ion photphat vật liệu biến tính axit theo thời gian KẾT LUẬN Vật liệu Pyrolusit kích thước 0,2÷0,5 mm, gia nhiệt 400C hiệu suất xử lý đạt 26,58% Hiệu suất xử lí tăng lên gần gấp đơi điều chỉnh pH thời gian cân hấp phụ Q trình biến tính vật liệu giàu hợp chất Nitơ photpho, NXB Khoa Học Tự Nhiên Và Công Nghệ, Hà Nội [3] Y.Li et al (2006) Phosphate removal from aqueous solutions using raw and activated red mud and fly ash, J Hazardous Materials, 137 (1), 374-383 [4] C.LIU et al (2007) Adsorption removal of phosphate from aqueous solution by active red mud, J Environmental Sciences, 19, 1166-1170 313