nghiên cứu biến tính một số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên để xử lý amoni trong nước

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Vũ Tuấn Long Nghiªn cøu biÕn tÝnh mét sè vËt liÖu hÊp phô cã nguån gèc tù nhiªn §Ó xö lý amoni trong n−íc LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC HÀ NỘI 2011 2 I HC QUC GIA H NI TRNG I HC KHOA HC T NHIấN V Tun Long Nghiên cứu biến tính một số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên Để xử lý amoni trong nớc Chuyên ngành: Khoa Học Môi Trờng Mã số : 60 85 02 LUN VN THC S KHOA HC Cán bộ hớng dẫn khoa học : PGS.TS ng Kim Loan H NI 2011 4 MC LC Mở đầu 1 Chơng 1 - tổng quan 3 1.1. Tổng quan về amoni 3 1.1.1. Amoni trong môi trờng nớc [5] 3 1.1.2. Tác động của amoni tới nguồn nớc và sức khỏe con ngời 4 1.1.3. Hiện trạng về ô nhiễm amoni trong một số nguồn nớc ở Hà Nội 5 1.1.4. Các phơng pháp hiện hành cho xử lý amoni trong nớc 6 1.2. Tổng quan về một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên dùng trong nghiên cứu 10 1.2.1. Bùn đỏ 10 1.2.2. Bentonit 13 1.2.3. Laterit 15 1.3. Phơng pháp hấp phụ [9] 16 1.3.1. Khái niệm 16 1.3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ [9] 17 1.3.3. Một số nghiên cứu sử dụng chất hấp phụ để loại bỏ amoni trong nớc 20 Chơng 2 - đối tợng và phơng pháp nghiên cứu 21 2.1. Đối tợng và mục tiêu nghiên cứu 21 2.2. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 22 2.3. Các phơng pháp nghiên cứu 22 2.3.1. Phơng pháp tổng quan tài liệu 22 2.3.2. Các phơng pháp thực nghiệm 22 2.3.3. Phơng pháp xác định tính chất vật liệu 26 2.3.4. Phân tích đánh giá hiệu quả quá trình xử lý 27 2.3.5. Phơng pháp tính toán tải trọng hấp phụ của vật liệu [7] 28 Chơng 3 - Kết quả và thảo luận 30 3.1. Kết quả xác định đặc trng cấu trúc của các vật liệu 30 3.1.1.Bentonit (VL1) 30 5 3.1.2. Bùn đỏ (VL2) 31 3.1.3. Fe(OH) 3 + MnO 2 / Laterit (VL3) 32 3.2. Lựa chọn và so sánh khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu 33 3.2.1. So sánh hiệu suất hấp phụ amoni của vật liệu biến tính và vật liệu thô 33 3.2.2. Hiệu suất hấp phụ amoni của VL1; VL2; VL3 34 3.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ cực đại của VL1, VL2, VL3 36 3.2.4. So sánh dung lợng hấp phụ cực đại của ba loại vật liệu 41 3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hởng đến quá trình hấp phụ amoni của VL2 42 3.3.1. Xác định tổng số tâm axit của VL2 42 3.3.2. Khảo sát sự ảnh hởng của pH đến hiệu suất của quá trình hấp phụ 44 3.3.3. Khảo sát sự ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu suất quá trình hấp phụ 46 3.3.4. Khảo sát sự ảnh hởng của nồng độ đến hiệu suất quá trình hấp phụ 48 3.3.5. Khảo sát ảnh hởng của khối lợng chất hấp phụ đến hiệu suất 49 3.4. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ biến tính trên pha động 51 3.4.1. Thiết kế hệ thống hấp phụ 51 3.4.2. Khảo sát với các tốc độ dòng khác nhau 52 3.4.3. Khảo sát với mẫu nớc thật 59 3.4.4. Mô hình thí nghiệm tính toán khả năng áp dụng bùn đỏ biến tính xử lý nớc nhiễm amoni quy mô hộ gia đình. 63 3.5. Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu 63 Kết luận và kiến nghị 65 Tài liệu tham khảo 66 6 Danh mục bảng biểu Bảng 1. Dạng tồn tại của amoni phụ thuộc vào pH 3 Bảng 2. Hàm lợng các hợp chất nitơ trớc và sau xử lý ở nhà máy nớc Tơng Mai và Pháp Vân 5 Bảng 3. Thành phần hóa học của bùn đỏ 12 Bảng 4. Thành phần khoáng vật kết tinh trong laterit tự nhiên 16 Bảng 5. Danh mục các thiết bị, dụng cụ hóa chất sử dụng trong thực nghiệm 22 Bảng 6: So sánh hiệu suất hấp phụ amoni của các loại vật liệu thô và biến tính 34 Bảng 7: So sánh hiệu suất hấp phụ amoni của ba loại vật liệu 35 Bảng 8: Khả năng hấp phụ amoni cực đại của VL1 37 Bảng 9: Khả năng hấp phụ amoni cực đại của VL2 38 Bảng 10: Khả năng hấp phụ amoni cực đại của VL3 40 Bảng 11: Kết quả xác định tâm axit trên bề mặt bùn đỏ 43 Bảng 12: Kết quả khảo sát hiệu suất hấp phụ amoni của bùn đỏ theo pH 45 Bảng 13: ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu suất của quá trình hấp phụ 47 Bảng 14: Kết quả ảnh hởng của nồng độ amoni đến hiệu suất hấp phụ 49 Bảng 15: Kết quả khảo sát ảnh hởng lợng bùn đỏ tới hiệu suất của quá trình 50 Bảng 16: Kết quả xác định nitrit và nitrat trớc và sau lọc 54 Bảng 17: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ với mẫu nớc pha ở tốc độ 0,5ml/phút 55 Bảng 18: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ với mẫu nớc pha ở tốc độ 1 ml/phút 56 Bảng 19: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ với mẫu nớc pha ở tốc độ 1,5 ml/phút 57 Bảng 20: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ với mẫu nớc pha ở tốc độ 2 ml/phút 58 Bảng 21: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ biến tính với mẫu 2 60 Bảng 22: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ biến tính với mẫu 3 61 Bảng 23: Khả năng hấp phụ amoni của bùn đỏ biến tính với mẫu 1 62 7 Danh mục hình vẽ Hình 1. Sơ đồ công nghệ xử lý nớc ngầm tại các nhà máy nớc Hà Nội 5 Hình 2. Bùn đỏ sinh ra từ công nghệ Bayer 11 Hình 3. Vật liệu bùn đỏ 12 Hình 4. Cấu trúc mạng không gian của Bentonit 16 Hình 5. Vật liệu Laterit 16 Hình 6: Mô tả quy trình thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ amoni của vật liệu 25 Hình 7: Hệ thống cột lọc 26 Hình 8 : Đờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 28 Hình 9: Đồ thị xác định các hằng số trong phơng trình Langmuir 29 Hình 10: Phổ nhiễu xạ tia X của VL1 30 Hình 11: ảnh chụp SEM của VL1 30 Hình 12: Phổ nhiễu xạ tia X của VL2 31 Hình 13: ảnh chụp SEM bề mặt của VL2 ở các độ phóng đại khác nhau 32 Hình 14: Phổ nhiễu xạ tia X của VL3 33 Hình 15: ảnh chụp SEM của VL3 33 Hình 16: So sánh hiệu suất hấp phụ amoni của ba loại vật liệu 35 Hình 17: Đờng cong hấp phụ amoni của VL1 37 Hình 18: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của C l /Cr vào C l của VL1 38 Hình 19: Đờng cong hấp phụ amoni của VL2 39 Hình 20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của C l /Cr vào C l của VL2 39 Hình 21: Đờng cong hấp phụ amoni của VL3 40 Hình 22: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của C l /Cr vào C l củaVL3 41 Hình 23: Dung lợng hấp phụ amoni cực đại của các vật liệu 42 Hình 24: Nồng độ NaOH còn lại khi cân bằng theo thời gian 44 8 Hình 25: Sự ảnh hởng của pH đến hiệu suất hấp phụ amoni của bùn đỏ 46 Hình 26: ảnh hởng của nhiệt độ tới hiệu suất của quá trình hấp phụ 48 Hình 27: ảnh hởng của nồng độ amoni đến hiệu suất của quá trình hấp phụ 49 Hình 28: ảnh hởng của lợng chất hấp phụ tới hiệu suất 51 Hình 29 : Sự thay đổi hằng số phân bố khi thay đổi lợng chất hấp phụ 51 Hình 30: Đồ thị hấp phụ amoni ở pha động của bùn đỏ (tốc độ 0.5 ml/phút) 55 Hình 31: Đồ thị hấp phụ amoni ở pha động của bùn đỏ (tốc độ 1 ml/phút) 56 Hình 32: Đồ thị hấp phụ amoni ở pha động của bùn đỏ (tốc độ 1.5 ml/phút) 57 Hình 33: Đồ thị hấp phụ amoni ở pha động của bùn đỏ (tốc độ 2 ml/phút) 58 Hình 34: Đồ thị hấp phụ amoni ở mẫu 2 của bùn đỏ biến tính 60 Hình 35: Đồ thị hấp phụ amoni ở mẫu 3 của bùn đỏ biến tính 61 Hình 36: Đồ thị hấp phụ amoni ở mẫu 1 của bùn đỏ biến tính 62 1 Mở đầu Trong nhiều thập kỷ qua, các phơng pháp công nghệ nghiên cứu xử lý nớc đ đợc áp dụng nh công nghệ truyền thống: kết tủa và keo tụ, lắng và lọc, sinh học hoặc công nghệ hiện đại: thẩm thấu ngợc, lọc nano, trao đổi ion, oxy hóa nhng những nhợc điểm của các phơng pháp này là hiệu quả xử lý amoni không cao hoặc giá thành công nghệ rất đắt. Thời gian gần đây ô nhiễm amoni trong nguồn nớc đặc biệt là nguồn nớc cấp đang là một vấn đề thời sự đợc rất nhiều ngời quan tâm. Do đó việc nghiên cứu các phơng pháp để loại bỏ amoni là một vấn đề cấp thiết đáp ứng các nhu cầu thực tế. Để giải quyết vấn đề bức xúc này, gần đây trên thế giới đ có các nghiên cứu ứng dụng các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên để loại bỏ amoni trong nớc. Đây là hớng đi rất có triển vọng đối với các vấn đề về ô nhiễm amoni, và cả về khía cạnh kinh tế, vì các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên có giá thành tơng đối rẻ. Tại Việt Nam, có rất nhiều mỏ với trữ lợng lớn các vật liệu: bentonit, laterit, và đặc biệt là bùn đỏ. Các dự án khai thác quặng bôxit ở Tây Nguyên đang đợc triển khai đồng thời cũng đặt ra một thách thức lớn đối với việc quản lý và xử lý bùn đỏ, một chất thải độc hại. Bentonit, laterit và bùn đỏ là các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên với các thành phần chủ yếu là các oxit kim loại nh: Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 và chúng có độ xốp cao nên đ đợc nghiên cứu sử dụng làm vật liệu hấp phụ. Để tạo cơ sở cho việc ứng dụng các vật liệu trên làm vật liệu hấp phụ để xử lý amoni trong nớc trớc tiên cần chứng minh đợc hiệu quả xử lý của chúng. Đó chính là lý do đề xuất đề tài: " Nghiên cứu biến tính một số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên để xử lý amoni trong nớc". Mục tiên nghiên cứu của luận văn : nghiên cứu các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên và tận dụng các chất thải làm chất hấp phụ loại bỏ amoni trong môi trờng nớc. 2 Nội dung nghiên cứu trong luận văn là: Biến tính các vật liệu: Bentonit, bùn đỏ, laterit. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu đ biến tính và tìm chọn vật liệu có khả năng hấp phụ amoni tốt nhất. Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ amoni trên vật liệu đ chọn. Nghiên cứu quá trình hấp phụ amoni trên mô hình động với mẫu nớc giả và mẫu nớc thật. Tính toán mô hình xủa lý cho nguồn nớc nhiễm amoni ở quy mô hộ gia đình. Đề xuất phơng án tái sinh vật liệu. 3 Chơng 1 - tổng quan 1.1. Tổng quan về amoni 1.1 .1. Amoni trong môi trờng nớc [5] Amoni là một sản phẩm phụ độc sinh ra trong quá trình trao đổi chất ở cơ thể động vật và là sản phẩm của sự phân hủy tự nhiên các chất thải động thực vật. Trong môi trờng nớc, amoni tồn tại ở cả dạng phân tử (NH 3 ) và ion (NH 4 + ) phụ thuộc mạnh vào pH, nhiệt độ và độ mặn, nhng pH ảnh hởng quan trọng hơn cả. Sự xuất hiện amoni trong nớc là hiệu báo nguồn nớc bị ô nhiễm, cần phải kiểm soát chặt chẽ các chỉ tiêu khác có nguy cơ gây hại cho sức khỏe nh nitrat, nitrit và vi sinh. Theo QCVN 2008/BTNMT quy định cho nớc mặt: loại A (amoni 0,1-0,2; nitrit 0,01-0,02; nitrat 2-5 (mg N/l)), loại B (amoni 0,5-1,0; nitrit 0,04-0,05; nitrat 10-15 (mg N/l); cho nớc ngầm: amoni 0,1; nitrit 1,0 và nitrat 15 mg N/l. Độ độc của amoni phụ thuộc cao vào pH nớc (mà cụ thể vào dạng phân tử). Mức amoni tổng (NH 3 + NH 4 + ) ở khoảng 0,25 mg/L đ có thể gây nguy hại cho cá và các loài sinh vật nớc khác. Riêng dạng phân tử (NH 3 ), chỉ cần ở nồng độ rất thấp (0,01 - 0,02 mg/L) cũng đ có thể giết chết cá [22] . Bảng 1. Dạng tồn tại của amoni phụ thuộc vào pH (tỷ lệ nồng độ %) [19] pH 6 7 8 9 10 11 %NH 3 0 1 4 25 78 96 %NH 4 + 100 99 96 75 22 Quỹ lơng thực thế giới (FAO) quy định cho nớc nuôi cá: amoni <0,2mg/L, đối với họ cá Salmonid (cá hồi) và 0,8mg/L đối với họ cá Cyprinid (cá chép) [14]. Amoni là một thông số không bền, khi ở dạng ion, nó lấy oxy trong nớc để bị oxy hoá trở thành nitrat [4]. Trong trờng hợp đó, nó là độc tố đối với đời sống của thuỷ sinh vật trong môi trờng nớc (làm giảm pH và giảm nồng độ oxy trong [...]... năng hấp phụ amoni của các vật liệu đ biến tính v tìm chọn vật liệu có khả năng hấp phụ amoni tốt nhất - Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ amoni trên vật liệu đ chọn, bao gồm : + Thời gian hấp phụ cực đại + pH hấp phụ tối u + Lợng chất hấp phụ + Nồng độ amoni + Tốc độ dòng chảy - Nghiên cứu quá trình hấp phụ amoni trên mô hình động đối với mẫu giả v mẫu nớc thật - Tính toán mô hình xử lý cho nguồn. .. các vật liệu hấp phụ v phơng pháp cũng nh cách thức tiến h nh nghiên cứu quá trình hấp phụ 2.3.2 Các phơng pháp thực nghiệm 2.3.2.1.Chuẩn bị, biến tính v hoạt hóa vật liệu Các vật liệu tự nhiên (nh đ nêu trong mục 1.2), mặc dù về bản chất, l những chất có khả năng hấp phụ tốt một số chất cụ thể n o đó Tuy nhiên, do nằm 22 trong tự nhiên nên thờng bị nhiễm bẫn v lẫn tạp chất nên hoạt tính hấp phụ thấp... phụ để loại bỏ amoni trong nớc Khi nghiên cứu về khả năng loại bỏ ion amoni trong nớc thải, các tác giả ở Trờng đại học Hamadan, Iran đ sử dụng vật liệu Zeolit loại Clinoptiolit có nguồn gốc tự nhiên l m chất hấp phụ amoni Kết quả thu đợc l khả năng hấp phụ của vật liệu đạt 16,31-19,5 mgNH4+/g zeolit v tỉ lệ tái sinh vật liệu đạt 95-98% [21] Một nghiên cứu khác của Trờng Đại học Hamadan, Iran , đ nghiên. .. pháp nghiên cứu 2.1 Đối tợng v mục tiêu nghiên cứu Đối tợng nghiên cứu trong luận văn l nớc nhiễm amoni, bentonit Thuận Hải, bùn đỏ (Bảo Lộc, Lâm Đồng), laterit ( Vĩnh Phúc) Mục tiêu nghiên cứu trong luận văn l sử dụng các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên v tận dụng các chất thải l m chất hấp phụ loại bỏ amoni trong nớc Để đạt mục tiêu n y, các nội dung sau đợc thực hiện: - Chuẩn bị v biến tính các vật liệu. .. trình xử lý, qua đó có thể đánh giá đợc tính u việt của vật liệu trong việc xử lý nớc nhiễm amoni 27 2.3.5 Phơng pháp tính toán tải trọng hấp phụ của vật liệu [7] Mô hình tính toán cho phơng pháp hấp phụ, trao đổi ion thờng sử dụng l phơng trình Langmuir-Frendlich Khi thiết lập phơng trình tính toán tải trọng hấp phụ của vật liệu theo Langmuir ngời ta chấp nhận các giả thiết sau: - Tiểu phân bị hấp phụ. .. Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sủa dụng các yếu tố bất lợi với quá trình hấp phụ Đối với hấp phụ vật lý để l m giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua các yếu tố sau: - Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ - Tăng nhiệt độ có tác dụng l m lệch hệ số cân bằng vì hấp phụ l quá trình tỏa nhiệt, về thực chất l l m yếu tơng tác giữa chất hấp phụ v chất bị hấp phụ. .. hấp phụ các hạt mang điện tích, tạo nên khả năng hấp phụ cho chúng [8,11] Laterit tự nhiên thờng chứa một lợng sét khá lớn v một v i th nh phần khác dễ tan trong nớc, nên laterit tự nhiên có tính cơ lý kém, dễ bị vỡ hạt v bị thôi sét Vì thế khi tiến h nh hấp phụ, nó sẽ l m đục nớc cần xử lý v l m giảm hiệu quả của quá trình, do đó cần phải biến tính trớc khi sử dụng laterit l m chất hấp phụ để xử lý. .. nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đ hấp phụ trên bề mặt chất rắn - Sử dụng tác nhân l vi sinh vật Giải hấp l phơng pháp tái sinh chất hấp phụ để có thể tiếp tục sử dụng lại nên nó mang đặc trng về hiệu quả kinh tế Nếu chất hấp phụ rẻ m tái sinh tốn kém thì chỉ nên sử dụng chất hấp phụ một lần rồi bỏ, tuy nhiên cần phải tính đến vấn đề bảo vệ môi trờng 19 1.3.3 Một số nghiên cứu sử dụng chất hấp phụ. .. 1.3 Phơng pháp hấp phụ [9] 1.3.1 Khái niệm Hấp phụ đợc xem l hiện tợng tích tụ một hoặc một hỗn hợp chất (chất bị hấp phụ) trên bề mặt dị thể của một chất khác (chất hấp phụ) Hiện tợng hấp phụ thờng gặp trong thực tế l quá trình hấp phụ trên bề mặt một chất rắn Đặc trng rõ nhất của chất hấp phụ so với các chất rắn khác l chúng có cấu trúc xốp v diện tích bề mặt riêng lớn Một vật liệu rắn có độ phân tán... môi trờng V vì thế, phơng pháp n y thờng chỉ đợc sử dụng để xử lý amoni trong nớc thải, rất hiếm khi đợc áp dụng trong xử lý nớc cấp vì khó có thể đẩy nồng độ NH4+ xuống dới 1,5 mg/l trong trờng hợp thổi khí 1.2 Tổng quan về một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên dùng trong nghiên cứu 1.2.1 Bùn đỏ 1.2.1.1 Định nghĩa Bùn đỏ l chất thải sinh ra trong quá trình sản xuất ôxit nhôm từ quặng bôxit theo công . hiệu quả xử lý của chúng. Đó chính là lý do đề xuất đề tài: " Nghiên cứu biến tính một số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên để xử lý amoni trong nớc". Mục tiên nghiên cứu của. V Tun Long Nghiên cứu biến tính một số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên Để xử lý amoni trong nớc Chuyên ngành: Khoa Học Môi Trờng Mã số : 60 85 02 LUN VN. Fe 2 O 3 và chúng có độ xốp cao nên đ đợc nghiên cứu sử dụng làm vật liệu hấp phụ. Để tạo cơ sở cho việc ứng dụng các vật liệu trên làm vật liệu hấp phụ để xử lý amoni trong nớc trớc tiên