Nghiên cứu ứng dụng bùn đỏ làm vật liệu xúc tác xử lý nước thải bằng phương pháp oxy hóa ướt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM TRẦN THÚY AN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÙN ĐỎ LÀM VẬT LIỆU XÚC TÁC XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA ƯỚT Chuyên ngành: Hóa Vơ Cơ Mã số: 604425 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VĂN DŨNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2011 i LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Dũng đã tận tình hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến hữu ích và thiết thực cho em trong thời gian thực hiện luận văn này. Em xin cảm ơn q Thầy Cô thuộc bộ môn Hóa Vô Cơ – Khoa Hóa – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã giảng dạy cho em trong quá trình học tập, nghiên cứu. Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và các anh chò trong Phòng Hóa Lý Môi Trường – Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng đã hỗ trợ, giúp đỡ và động viên em rất nhiều để thực hiện đề tài này. PHẠM TRẦN THÚY AN xii MỞ ĐẦU Hiện nay, nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, dược phẩm, thực phẩm, giấy và dệt nhuộm sản sinh ra một lượng lớn nước thải chứa các chất hữu cơ độc hại, hàm lượng ô nhiễm cao không thể xử lý bằng các phương pháp truyền thống. Trong hai thập kỷ trở lại đây, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang thu được nhiều kết quả khả quan trong việc làm giảm lượng chất ô nhiễm từ dòng nước thải công nghiệp bằng các phương pháp hiện đại. Một trong những phương pháp trên là phương pháp oxy hóa ướt (WAO). Phương pháp oxy hóa ướt được xem là một kỹ thuật rất quan trọng trong việc xử lý nước thải, đặc biệt là nước thải chứa những chất hữu cơ độc vớiø hàm lượng COD cao nằm trong khoảng từ 10-100g/l. Quá trình oxy hóa ướt được thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao vì thế việc sử dụng những xúc tác thích hợp sẽ làm giảm những điều kiện nghiêm ngặt đó. Nhiều nghiên cứu trước đây cho thấy xúc tác kim loại quý có hiệu quả cho quá trình oxy hóa ướt, tuy nhiên chúng khá đắt tiền nên không có lợi về kinh tế. Ngày nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu tìm những chất xúc tác rẻ tiền nhưng cho hiệu quả cao. Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng bã thải bùn đỏ - một chất thải cơng nghiệp sản xuất nhơm - làm chất mang oxit kim loại, xúc tác cho phản ứng oxy hóa ướt. Hoạt tính của xúc tác được thử nghiệm trên thuốc nhuộm Remazol orange 16 và trên đối tượng thực tế là nước thải từ phân xưởng sản xuất cồn của nhà máy đường Hiệp Hòa. ii MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ LỤC BÌA LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii TÓM TẮT v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU xii Chương 1 : TỔNG QUAN 1 1.1 TỔNG QUAN VỀ BÙN ĐỎ 1 1.1.1 Tính chất hóa lý của bùn đỏ 1 1.1.2 Ứng dụng của bùn đỏ 3 1.1.3 Bùn đỏ của nhà máy Hóa chất Tân Bình 7 1.2 QUÁ TRÌNH OXY HÓA ƯỚT 10 1.2.1 Giới thiệu 10 1.2.2 Cơ chế của quá trình oxy hóa ướt 13 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa ướt 14 1.2.4 Quá trình oxy hóa ướt có sử dụng xúc tác 17 1.2.5 Một số ứng dụng của quá trình oxy hóa ướt trong công nghiệp 21 1.3 NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỒN TỪ MẬT RỈ ĐƯỜNG 26 Chương 2 : THỰC NGHIỆM 30 2.1 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 30 2.2 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ DỤNG CỤ 31 iii 2.3 ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC 31 2.3.1 Lấy mẫu bùn đỏ 31 2.3.2 Hoạt hóa bùn đỏ 32 2.3.3 Giai đoạn tẩm 32 2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CỦA XÚC TÁC 34 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 34 2.4.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET 34 2.4.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM 35 2.5 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC 36 2.5.1 Sơ đồ thực nghiệm 36 2.5.2 Đối tượng nghiên cứu 39 2.5.3 Quy trình thực hiện phản ứng oxy hóa ướt 39 2.5.4 Đánh giá hoạt tính xúc tác 40 2.6 XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỒN CỦA NHÀ MÁY ĐƯỜNG HIỆP HÒA 42 Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 44 3.1 KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG LÝ HÓA CỦA XÚC TÁC 44 3.1.1 Khảo sát tính chất cấu trúc và thành phần pha 44 3.1.2 Khảo sát hình thái bề mặt 47 3.1.3 Khảo sát diện tích bề mặt riêng 49 3.2 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC 50 3.2.1 So sánh hoạt tính giữa các mẫu xúc tác 50 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện đến quá trình oxy hóa thuốc nhuộm RO16 53 3.3 XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỒN 63 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 iv TAỉI LIEU THAM KHAO 69 PHUẽ LUẽC x DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Tiềm năng ứng dụng của bùn đỏ Hình 1.2: Bản đồ các phương pháp xử lý nước thải Hình 1.3: Sơ đồ thiết bò quá trình WAO Hình 1.4: Sơ đồ phân hủy các hợp chất hữu cơ Hình 1.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình WAO xử lý nước thải nhà máy sợi, bông ở áp suất 1,5 MPa Hình 1.6: Ảnh hưởng của oxy đến quá trình WAO xử lý nước thải nhà máy sợi, bông ở 290 o C Hình 1.7: Ảnh hưởng của áp suất oxy riêng phần đến quá trình WAO xử lý nước thải nhà máy sợi, bông ở 240 o C Hình 2.1: Sơ đồ hoạt hóa bùn đỏ Hình 2.2: Đònh luật Bragg Hình 2.3: Mô hình hệ phản ứng Hình 2.4: Cấu trúc phân tử của RO 16 Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn đỏ trước (a) và sau hoạt hóa (b): a) RM b) ARM Hình 3.2: Phổ IR của mẫu RM và ARM Hình 3.3: Giản đồ XRD của các mẫu: a) ARM b) 10%MnO 2 /ARM c) 20%MnO 2 /ARM Hình 3.4: Giản đồ XRD của các mẫu: a) ARM b) 10%CuO/ARM c) 20%CuO/ARM Hình 3.5: Ảnh SEM của bề mặt các mẫu: a) RM b) ARM Hình 3.6: Ảnh SEM của các mẫu xúc tác: a) ARM b) 10%MnO 2 /ARM c) 20%MnO 2 /ARM Hình 3.7: Ảnh SEM của các mẫu xúc tác: xi a) ARM b) 10%CuO/ARM c) 20%CuO/ARM Hình 3.8: Độ chuyển hóa COD của dung dòch RO16 theo thời gian phản ứng Hình 3.9: Hiệu suất khử màu dung dòch RO16 theo thời gian phản ứng Hình 3.10: Độ chuyển hóa COD theo thời gian ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau Hình 3.11: Hiệu suất khử màu dung dòch RO16 của các quá trình phản ứng thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau Hình 3.12: Sự thay đổi độ chuyển hóa COD theo thời gian phản ứng ở các dung dòch RO16 có pH ban đầu khác nhau Hình 3.13: Sự thay đổi hiệu suất khử màu theo giá trò pH ban đầu của dung dòch phản ứng Hình 3.14: Độ chuyển hóa COD theo thời gian với lượng xúc tác khác nhau Hình 3.15: Hiệu suất khử màu RO16 với các hàm lượng xúc tác khác nhau Hình 3.16: Sự thay đổi độ chuyển hóa COD theo thời gian của quá trình xử lý nước thải Hình 3.17: Hiệu suất khử màu của quá trình xử lý nước thải sản xuất cồn viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thành phần của bùn đỏ sinh ra từ các nhà máy sản xuất nhôm ở các nước trên thế giới Bảng 1.2: Diện tích bề mặt riêng của bùn đỏ trước và sau khi xử lý bằng các phương pháp khác nhau Bảng 1.3: Thành phần hóa của một số oxit kim loại Bảng 1.4 : Thành phần hóa lý Bảng 1.5: Thành phần pha Bảng 1.6: Một số xúc tác dò thể cho quá trình oxy hóa ướt Bảng 1.7: Ảnh hưởng của các thành phần ô nhiễm đến nguồn tiếp nhận Bảng 2.1: Thành phần hóa học của bùn đỏ Bảng 2.2: Mẫu MnO 2 /ARM với các hàm lượng khác nhau Bảng 2.3: Mẫu CuO/ARM với các hàm lượng khác nhau Bảng 2.4: Thông số đặc trưng của mẫu nước thải nghiên cứu Bảng 3.1: Diện tích bề mặt riêng của các mẫu xúc tác Bảng 3.2: Hiệu suất khử màu dung dòch RO16 theo thời gian Bảng 3.3: Độ chuyển hóa COD theo thời gian ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau Bảng 3.4: Sự thay đổi hiệu suất khử màu RO16 ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau Bảng 3.5: Độ chuyển hóa COD theo thời gian phản ứng ở các dung dòch có pH ban đầu khác nhau Bảng 3.6: Hiệu suất khử màu dung dòch RO16 có pH ban đầu khác nhau Bảng 3.7: Độ chuyển hóa COD trong các quá trình phản ứng được thực hiện với các hàm lượng xúc tác khác nhau ix Bảng 3.8: Hiệu suất khử màu của quá trình phản ứng với các hàm lượng xúc tác khác nhau Bảng 3.9: Kết quả tổng hợp sự thay đổi độ màu theo thời gian phản ứng [...]... 1.1.2.5 Dùng làm chất xúc tác Bùn đỏ đã được nghiên cứu ứng dụng làm chất xúc tác cho một số phản ứng như hydro hóa, oxy hóa các hydrocacbon, cracking, phân hủy amoniac với sự có mặt của các hợp chất sunfua, chuyển đổi dầu thải thành nhiên liệu Tuy nhiên, bùn đỏ thô cho hiệu suất phản ứng thấp so với các xúc tác thương mại Việc áp dụng một số phương pháp xử lý sẽ làm tăng hoạt tính xúc tác của bùn đỏ Bên... xúc tác cho phép hạ thấp nhiệt độ, áp suất, thời gian lưu của pha lỏng trong bình phản ứng oxy hóa Việc xử lý nước thải dựa trên sự oxy hóa ướt có xúc tác (CWAO) được công nhận là một phương pháp hiệu quả trong phần lớn các nghiên cứu Sự có mặt của chất xúc tác sẽ làm tăng tốc độ oxy hóa đồng thời làm giảm các điều kiện phản ứng như nhiệt độ và áp suất, vì thế quá trình oxy hóa ướt có sử dụng xúc tác. .. xúc tác của bùn đỏ Bên cạnh đó, việc ứng dụng bùn đỏ làm chất mang xúc tác cũng đã được báo cáo trong một số tài liệu Bùn đỏ tẩm một hoặc nhiều kim loại hoạt động sẽ làm tăng hiệu quả của phản ứng Xúc tác bùn đỏ có tẩm 5% Ru được dùng cho phản ứng phân hủy amoniac thành hydro Cu tẩm trên bùn đỏ xúc tác cho phản ứng khử nitơ oxit Một số nhà nghiên cứu đã sử dụng bùn đỏ có tẩm các kim loại hoạt động như:... Ru TiO2, ZrO2 nước thải công nghiệp, bùn 190 5.5 Fe2O3-CeO2-TiO2 -Al2O3 thuốc nhuộm azo (metyl da 25 cam) 1.2.5 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA QUÁ TRÌNH OXY HÓA ƯỚT TRONG CÔNG NGHIỆP [34] 1.2.5.1 Xử lý bùn thải đô thò Việc loại bỏ một lượng bùn thải rất lớn được sinh ra sau quá trình xử lý sinh học là một trong những vấn đề khó khăn Phương pháp oxy hóa ướt đã thành 22 công trong việc xử lý bùn thải, thực tế... loại bỏ bằng cách chôn lấp hoặc đổ xuống biển Bên cạnh các vấn đề tác động đến môi trường sinh thái, chi phí cho việc loại bỏ này rất cao Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng bùn đỏ được phát triển như thu hồi kim loại, chế tạo đồ gốm, làm chất hấp phụ để làm sạch khí và xử lý nước thải, làm chất xúc tác Hình 1.1 cho thấy tiềm năng ứng dụng của bùn đỏ, tuy nhiên chưa có ứng dụng nào... hợp cho việc xử lý nước thải có COD lớn hơn 100 g/l và phương pháp sinh học dùng xử lý những chất thải không độc với COD nhỏ hơn 10 g/l Vì thế, WA 11 được xem là một kỹ thuật rất quan trọng trong việc xử lý nước thải, đặc biệt là Hàm lượng COD (g/l) nước thải chứa những chất hữu cơ khó phân hủy sinh học với nồng độ cao Lưu lượng dòng thải (m3/h) Hình 1.2: Bản đồ các phương pháp xử lý nước thải Quá trình... 8,16 Bùn đỏ là chất thải rắn có tính kiềm cao, pH của nó dao động từ 10 đến 12 Bùn đỏ có kích thước hạt rất mòn với kích thước hạt trung bình dưới 10m Diện tích bề mặt riêng của bùn đỏ khoảng 20-30 m2/g Diện tích bề mặt của bùn đỏ có thể tăng lên khi sử dụng một số phương pháp xử lý (Bảng 1.2) Trong những năm qua đã có một vài phương pháp được đưa ra như xử lý nhiệt, xử lý axit và kết hợp các phương pháp. .. lý các nước thải công nghiệp Thời gian sống của xúc tác được báo cáo là trên 8 năm Đối với quá trình Kurita (ở 170oC và xúc tác platin trên chất mang ), NH3 có thể bò oxy hoá bởi ion NO2- một cách chọn lọc 19 thành N2 và N2O ở nhiệt độ thấp hơn trong trường hợp sử dụng oxy làm chất oxy hóa 1.2.4.2 Một số xúc tác dò thể cho quá trình oxy hóa ướt Những xúc tác dò thể dùng trong quá trình oxy hóa ướt có... trong bùn đỏ và vì thế bùn đỏ cũng được xem là một nguyên liệu để sản xuất xi măng Tuy nhiên, do bùn đỏ có hàm lượng oxit sắt cao nên lượng bùn đỏ chỉ được sử dụng hạn chế trong xi măng Thêm vào khoảng 5-8% bùn đỏ đã được xử lý trước sẽ làm tăng cường lực và giảm thời gian đóng rắn của xi măng, nếu lượng bùn đỏ được sử dụng lớn hơn 8% sẽ có tác dụng ngược lại b Sản xuất gạch xây dựng Khi trộn bùn đỏ với... Tiềm năng ứng dụng của bùn đỏ Hình 1.2: Bản đồ các phương pháp xử lý nước thải Hình 1.3: Sơ đồ thiết bò quá trình WAO Hình 1.4: Sơ đồ phân hủy các hợp chất hữu cơ Hình 1.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình WAO xử lý nước thải nhà máy sợi, bông ở áp suất 1,5 MPa Hình 1.6: Ảnh hưởng của oxy đến quá trình WAO xử lý nước thải nhà máy sợi, bông ở 290oC Hình 1.7: Ảnh hưởng của áp suất oxy riêng . THÚY AN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÙN ĐỎ LÀM VẬT LIỆU XÚC TÁC XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA ƯỚT Chuyên ngành: Hóa Vơ Cơ Mã số: 604425 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC . trong việc làm giảm lượng chất ô nhiễm từ dòng nước thải công nghiệp bằng các phương pháp hiện đại. Một trong những phương pháp trên là phương pháp oxy hóa ướt (WAO). Phương pháp oxy hóa ướt được. quá trình oxy hóa ướt 13 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa ướt 14 1.2.4 Quá trình oxy hóa ướt có sử dụng xúc tác 17 1.2.5 Một số ứng dụng của quá trình oxy hóa ướt trong