Nghiên cứu điều chế vật liệu hấp thụ kim loại nặng trong nước từ bùn đỏ

Đồ án tổt nghiệp GVHD : TS.Nguyễn Đình Thành SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Nguồn nước sạch không bị ô nhiễm là điều mong moi của toàn thể nhân loại trên thế giới. Hiện nay, hon một tỷ người trên thế giới thường xuyên thiếu nguồn nước sạch đê sử dụng. Việt Nam cũng là một quốc gia đang đối đầu với tình trạng khan hiếm nguồn nước sạch dùng cho mục đích sinh hoạt và sản xuất. Nhất là tại các khu vực ngoại thành hay nông thôn, noi mà nguồn nước cấp còn chưa đầy đủ và chưa đảm bảo các yêu cầu về chất lượng nguồn nước cấp cho sinh hoạt. Dư lượng kim loại nặng trong nước với một lượng lớn vượt quá tiêu chuẩn cho phép sẽ gây ảnh hưởng không tốt đến sức khoẻ con người. Nhiễm độc Cadimi gây ung thư, bệnh phổi và xương; Kẽm gây tác động đến hệ tiêu hoá, Niken gây bệnh về da. Dư lượng kim loại nặng Kẽm, Cadimi, Niken thường được tìm thấy nhiều nhất trong nước thải của ngành sản xuất xi mạ, nước thải này được đô ra sông gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nguồn nước mặt và nước ngầm. Chính vì vậy vấn đề xử lý dư lượng kim loại nặng trong nước là một nhu cầu cấp thiết hiện nay. Trong thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm mục đích loại bỏ dư lượng kim loại nặng trong nguồn nước. Trong các phương pháp được nghiên cứu thì phương pháp dùng vật liệu đồ hấp phụ dư lượng kim loại trong nước cho thấy có nhiều ưu điểm. Hướng nghiên cứu: Điều chế và khảo sát khả năng hấp phụ dư lượng kim loại nặng Kẽm, Cadimi, Niken trong nước của vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ bùn dở nhà máy hoá chất Tân Bình tại phòng thí nghiệm. Đồ án tổt nghiệp GVHD : TS.Nguyễn Đình Thành SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 2 CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN 1.1. ĐẶT VẨN ĐÈ 1.1.1. Lý do chọn đề tài Bùn đỏ là chất thải của công nghiệp sản suất nhôm oxit từ quặng bauxit, có thành phần là các oxit sắt, oxit nhôm, oxit silic, oxit titan, Do độ kiềm quá cao nên bùn đỏ là tác nhân gây ô nhiễm môi truờng nghiêm trọng tại các bãi thải và lây lan sang các vùng lân cận. Hiện nay tại nhà máy Hóa chất Tân Bình Thành phố Hồ Chí Minh hằng năm thải ra hàng trăm ngàn tấn bùn thải. Đê giải quyết vấn đề bùn thải có rất nhiều hướng nghiên cứu như sản xuất vật liệu xây dựng, thu hồi các khoáng có giá trị, Tận dụng nguồn oxit còn lại trong bùn đỏ, chúng tôi đưa ra hướng nghiên cứu là chế tạo zeolit và vật liệu hấp phụ các kim loại nặng với hy vọng là tạo ra các sản phẩm có hiệu quả cao, giá thành hạ góp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế của đất nước. 1.1.2. Mục đích đề tài ■ Nghiên cứu chế tạo zeolit. ■ Chế tạo vật liệu hấp phụ kim loại nặng. ■ Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu trong phòng thí nghiệm. ■ Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu trên mẫu nước thải xi mạ. 1.1.3. Tính khả thỉ của đề tài Việc sản xuất zeolite và vật liệu hấp phụ kim loại nặng từ nguồn bùn dở là một hướng đi khả thi bởi lẽ : ■ Tận dụng được nguồn nguyên liệu phế thải trong nước. ■ Giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do bùn đỏ gây ra. Đồ án tổt nghiệp GVHD : TS.Nguyễn Đình Thành SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 3 ■ Quy trình đơn giản, dễ thực hiện, chi phí sử dụng năng lượng thấp. Đồ án tot nghiệp GVHD : TS.Nguyễn Đình Thành SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 4 1.1.4. Đối tượng nghiên cứu Bã thải nhà máy hoá chất Tân Bình. 1.1.5. Noi thực hiện Đe tài được thực hiện trong thời gian 3 tháng, từ tháng 9 năm 2006 đến tháng 12 năm 2006 tại Phòng Xúc tác và Công nghệ Môi trường thuộc Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng. 1.2. NHÀ MÁY HOÁ CHÁT TÂN BÌNH [7] [11] [12] 1.2.1 Giới thiệu chung [7] Nhà máy hoá chất Tân Bình là một trong sáu thành viên của công ty Hoá chất cơ bản Miền Nam, thuộc tổng công ty hoá chất Việt Nam. Công Ty Hoá Chất Cơ Bản Miền Nam là doanh nghiệp nhà nước được thành lập từ năm 1976 chuyên sản xuất các sản phẩm hoá chất vô cơ cơ bản. Nhà máy hoá chất Tân Bình ban đầu là cơ sở sản xuất hoá chất do tu - nhân Đài Loan xây dựng năm 1969 với sản phẩm chính là axit sulfuric và phèn đơn. Đen năm 1973, nhà máy sản xuất thêm hydroxit nhôm Đan năm 1976, nhà máy được tiếp quản và thuộc Công Ty Hoá Chất Cơ Bản Miền Nam. Từ 1995 công ty thuộc Tông công ty hoá chất Việt Nam. Nhà máy sản xuất các sản phâm gồm: V Axit Sulfuric (H2SO4) : 40.000 tấn/năm V Hydroxit nhôm (Al(OH) 3 : 30.000 tấn/năm V Phèn đơn Sulfat nhôm : 10.000 tấn/năm V Phèn kép gồm phèn amoni & kalisulfat của nhôm Sulfat: ltấn/ca V Các sản phẩm phụ: Na 2 SO 3 .5H 2 0 Natrithiosulíầt, Natrisulfit Na 2 S0 3 .7H 2 0, natripyrosulíìt Na 2 s 2 0 5 . Nguồn tiêu thụ sản phẩm chủ yếu là thị trường trong nước, đặc biệt là các nhà máy cấp nước ở thành phố Hồ Chí Minh và ở phía nam. Nhà máy còn cung cấp nguyên liệu cho các nhà máy và công ty trong khu công nghiệp và khu chế xuất ở các tỉnh phía nam. Năm 2001 nhà máy cũng đã thăm dò thị trường nước ngoài và đã xuất khẩu 1.500 tấn nhôm hydroxit sang Nhật Bán. Đồ án tổt nghiệp GVHD : TS.Nguyễn Đình Thành SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 5 1.2.2 Nguyên liệu dùng trong sản xuất [11] Bauxit là một trong những quặng có chứa hàm lượng nhôm cao, các khoáng vật của nhôm có trong quặng là gibbsit, diaspor, boehmit, ngoài ra bauxit còn có các khoáng vật của sắt như hemetite, geothite đôi khi có cả pirit, opal, của silic như thạch anh, của titan như anatase, rutin, có hàm lượng đáng kế, cùng một số các nguyên tố Ca, Mg, V, Co, Ni, Pb với hàm lượng rất nhỏ. Tuỳ theo hàm lượng oxit sắt mà quặng bauxite có nhiều màu sắc khác nhau. Thành phần hoá học chính của quặng bauxite dao động trong khoảng rộng sau: Bảng 1 : Thành phần hoá học của quặng Bauxit Người ta đánh giá quặng bauxit thông qua modul silic: tỷ số giữa hàm lượng A1 2 0 3 và Si0 2 , quặng bauxit nào có hàm lượng A1 2 0 3 >= 50% và modul silic >= 10 thì chất lượng quặng thuộc loại tốt. Ớ Việt Nam, quặng bauxit đã được phát hiện ở Hà Tuyên, Cao Bằng, Lạng Sơn, Đắc Lắc, Lâm Đồng, Gia Lai - Kom Tum, Sông Bé, Phú Khánh Đặc biệt các mở bauxit laterit ở Tây Nguyên và Đông Nam Bộ có trữ lượng hàng tỷ tấn. Nhìn chung quặng bauxit ở Việt Nam có hàm lượng nhôm oxit khá cao ~ 50% và có modul silic > 10 có nhiều nơi đạt đến 20 - 26. Nhà máy hoá chất Tân Bình sử dụng quặng bauxit Lâm Đồng có thành phần hoá học chủ yếu như sau: AI 2 O 3 Fe 2 ơ 3 SĨƠ2 TĨO 2 H 2 O 30% - 75% 2% - 37% 1% - 27% 0% - 11% 8% - 25% Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS.Nguyễn Đình Thành SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 6 Quặng Bauxite laterit Lâm Đồng nói riêng và của Miền Nam Việt Nam thích hợp với phương pháp Bayer. 1.2.3 Giới thiệu quy trình Bayer [12] Bảng 2 : Thành phần hoá học của quặng Bauxit Lâm Đồng AI 2 O 3 Fe 2 0 3 Si0 2 Ti0 2 CaO MgO Na 2 0 K 2 O co 2 49,45 17,58 2,08 2,99 — 0,26 0,05 0,05 0,32 Đồ án tổt nghiệp GVHD : TS.Nguyễn Đình Thành SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 7 1.2.4 Thuyết minh quy trình công nghệ Bayer [12] Quặng Bauxit từ bãi chứa được chuyển vào phễu định lượng, sau khi quặng ra khởi phễu (được hoà trộn với một lượng vôi thích họp) sẽ được hệ thống vít tải xoán đưa vào máy nghiền bi đổ thực hiện quá trình nghiền ướt. Tại máy nghiền, quặng được nghiền đến kích thước khoảng 60 - 70 pm với dung dịch xút, sau khi cô đặc, được lấy từ bồn chứa xút. Hình 1 : Sơ đồ quy trình Bayer Đồ án tổt nghiệp GVHD : TS.Nguyễn Đình Thành SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 8 Quặng sau khi nghiền có dạng huyền phù, phần quặng có kích thước đạt yêu cầu sẽ chảy vào bồn trung gian được khuấy liên tục với tốc độ cánh khuấy ĩ 5 vòng/phút đê tránh lắng đọng. Phần không đạt yêu cầu sẽ theo hệ thống vít tải xoán trở lại máy nghiền. Từ bồn trung gian, huyền phù được bom lên bồn pha liệu đổ ủ và khử silíc. Sau khi pha liệu xong, huyền phù được bơm vào thiết bị trao đôi nhiệt để gia nhiệt lên khoảng 130 - 140°c, rồi được bơm vào thiết bị phản ứng. Ở nhiệt độ này, AI2O3 tách ra khỏi quặng bauxite tạo thành dung dịch Alumínate theo phản ứng: N a A Ì O 2 + 2 H 2 0 r = = h A 1 ( 0 H > 3 + N aO H Trong thiết bị phản ứng hệ thống cánh khuấy sẽ khuấy trộn liên tục với tốc độ khuấy khoảng 25 vòng/phút nhằm đảo trộn đồng đều nguyên liệu và xút tránh tình trạng phản ứng xảy ra cục bộ và đóng cặn dưới đáy thiết bị. Sau quá trình phản ứng, huyền phù được ép sang bồn pha loãng, ở đây nó được pha loãng với nước từ quá trình rửa bã và kết hợp với việc khuấy trộn ở tốc độ khoảng 25 vòng/phút đế đảm bảo sự đồng nhất của dung dịch. Dung dịch này được bơm vào bồn trung gian, tại đây chất trơ lắng (bột mì và các chất phụ gia) được cho vào để phối trộn đều với dung dịch vừa pha loãng để tăng cường sự lắng trong suốt quá trình lắng. Sau đó hỗn hợp này được bơm qua thiết bị lắng đê thực hiện quá trình tách cặn (bùn đỏ). Đồ án tổt nghiệp GVHD : TS.Nguyễn Đình Thành SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 9 T=40 h Sau quá trình lắng, nước trong bên trên sẽ được đưa qua thiết bị lọc kết hợp nước vôi để tăng cường hiệu quả lọc. Còn phần cặn lắng (bùn đở) được đưa qua hệ thống rửa bã dùng nước nóng được bơm từ bồn chứa nước ngưng sau quá trình cô đặc xút. Dung dịch sau khi lọc xong sẽ đưa vào bồn chứa trung gian có dàn thu hồi nhiệt đề hạ nhiệt độ của dung dịch xuống trước khi đưa đi kết tủa. Tại bồn kết tinh, dung dịch sẽ được bô sung mầm kết tinh Al(OH) 3 từ bồn phân ly để tăng hiệu quả kết tinh. NaAỈ0 2 + 2H 2 0 = Al{OH) 2 +NaOH Sau khi kết tinh hỗn hợp này được đưa qua hệ thống phân ly bằng cyclon sẽ chia hỗn hợp thành hai phần: phần nước phía trên được tuần hoàn về bồn chứa xút để cô đặc, phần phía dưới đem đi lọc thành phẩm. 1.2.5 Cách xử lý bã thải của nhà máy hoá chất Tân Bình [11][12] Thành phần bao gồm: + Phần dung dịch có 1 - 3g/l Na 2 0; 1 - 3g/l AI2O3. + Phần rắn có 18 - 22% AI2O3; 40 - 50% Fe2Ơ3; 3% S1O2 Bã thải rắn có màu đỏ do trong đó còn chứa 1 lượng sắt khá lớn, có tính kiềm do lượng kiềm trong khi xử lý còn dư được rửa bằng nước thải từ phân xưởng axít (được rửa nhiều lần). Bã đã xử lý đố xuống mương chứa rồi theo đường mương này đến sân phơi. 1.3. GTỚT THIỆU CHƯNG VÈ BÙN ĐỞ VÀ ZEOLIT [1] [2] [4] [5] [6] [12] [14] [15] [16] [17] [18] 1.3.1. Giói thiệu bùn đỏ|12] Bùn dở là bã thải thu được sau quy trình sản xuất nhôm hydrơxit. Nhôm là một kim loại đang được sử dụng rộng rãi, nó được sản xuất bằng cách điện phân AI2O3 . Ước tính cứ khoảng 1 tấn nhôm được sản xuất Đồ án tổt nghiệp GVHD : TS.Nguyễn Đình Thành SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 10 ra thì có khoảng 0,3 - 2,5 tấn bùn đỏ (lượng bùn đỏ thải ra tuỳ thuộc vào chất lượng của quặng Bauxit và một phần vào quy trình sản xuất). Trên thế giới có đến 90% nhôm oxit được sản xuất từ quặng Bauxit và dựa vào quy trình Bayer. Chất thải rắn không tan trong dung dịch hoàn lưu gọi là bùn thải. Bùn thải từ quy trình Bayer có màu đỏ của khoáng sắt gọi là bùn đỏ: là một hồn hợp rất mịn chứa các khoáng của sắt, nhôm, silic, titan Sản lượng nhôm trên thế giới tính đến năm 1983 là 30 triệu tấn/năm nên lượng bùn dở thải ra môi trường là rất lớn. Nhu cầu sử dụng nhôm ngày càng tăng đồng nghĩa với lượng bùn đỏ thải ra môi trường ngày càng nhiều hơn. Vì thế việc nghiên cứu tận dụng bùn thải là một vấn đề hết sức cấp bách và cực kỳ quan trọng. 1.3.2. Thành phần — tính chất của bùn đỏ [12] Thành phần hoá học của bùn thải thay đối tuỳ từng loại quặng bauxit và tuỳ vào phương pháp thu hồi nhôm oxit có trong quặng. Bùn thải là một hỗn hợp các oxit của nhôm, sắt, silic, titan, kiềm và một số nguyên tố khác: gaĩi, vanadi, niken, magiê, crôm với hàm lượng vết. Bùn dở của nhà máy hoá chất Tân Bình được thải ra mương dưới dạng vữa loãng; tỉ lệ phần trăm pha rắn khoảng 20%, cấp hạt của bùn dở rất mịn, khi phơi khô bùn có độ ấm 4,17%, tỉ trọng 3,37g/cm 3 , diện tích bề mặt 28.36g/cm 2 . Thành phần khoáng vật chính của bùn đỏ là gibbsit, goethit, hematit và một phần nhỏ ilmenit. Hàm lượng oxit nhôm và sắt còn lại khá cao Al 2 0 3tb ~ 2 ĩ ,285% và Fe 2 0 3tb ~ 47,4717% Thành phần hoá học và thành phần khoáng một số mẫu bùn đỏ của nhà máy hoá chất Tân Bình. Bảng 3 : Thành phần hoá học một sổ mẫu bùn đỏ của nhà mảy HCTB : Mầu Thành phần % bùn Ai 2 o 3 Fe 2 ơ 3 Si0 2 TiO? CaO Na 2 0 K 2 O [...]... loại nặng Thực hiện các công đoạn chế tạo zeolit và vật liệu hấp phụ kim loại nặng từ nguyên liệu thô ban đầu là Bùn đỏ Các vật liệu chế tạo được sẽ được dùng làm nguyên liệu cho các bước nghiên cứu kế tiếp theo 1.6.2 Khảo sát tính chất lý hoá của các vật liệu Quá trình kiểm tra các tính chất của vật liệu được tiến hành ngay sau khi vật liệu được chế tạo xong SVTH : Nguyễn Thị Hương Thảo Trang 32 Đồ... đặc trưng về khả năng hấp phụ kim loại nặng của vật liệu như dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ, khảo sát sự phù hợp của thực nghiệm theo 2 phương trình Langmuir và Freundlich Tiến hành thí nghiệm với các ion kim loại khác nhau với các nồng độ khác nhau trên các loại vật liệu khác nhau trong cùng điều kiện làm việc, đe so sánh khả năng hấp phụ kim loại nặng của các loại vật liệu 1.6.4 Kiểm tra các... bị hấp phụ tới bề mặt ngoài, khuyếch tán bến trong hạt hấp phụ và giai đoạn hấp phụ thực sự Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình động học hấp phụ Các quá trình động học hấp phụ là: quá trình chuyền khối, khuếch tán phân tử, chuyến khối trong hệ hấp phụ Quá trình hấp phụ kim loại nặng bằng các vật liệu hấp phụ nghiên cứu. .. tính chất lý hoá của vật liệu như cấu trúc, Hình dạng, Kết quả của quá trình này sẽ là tiền đề cho việc khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng của các vật liệu Các thí nghiệm kiểm tra tính chất lý hóa của vật liệu được thực hiện trên các thiết bị chuyên ngành vật liệu như máy quang phổ hồng ngoại, máy nhiễu xạ kế 1.6.3 Khảo sát khả năng hấp phụ một số kim loại nặng ciía vật liệu Tiến hành các thí... 1000°c Điều đáng quan tâm nhất là khi tăng tỷ lệ S1O2/AI2O3 trong cấu trúc mạng lưới zeolit vạch hấp thụ trong vùng 580 em'1 dịch chuyển về phía gía trị lớn Bên cạnh phương pháp XRD, phương pháp quang phố hồng ngoại cũng có thể được dùng để phân tích cấu trúc pha tinh thể của vật liệu 1.6 PHƯƠNG PHÁP THỤC HIỆN 1.6.1 Chế tạo các loại zeolit và vật liệu hấp phụ kim loại nặng Thực hiện các công đoạn chế. .. tác: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa hay kỵ nước của chất hấp phụ, mức độ kỵ nước của các chất bị hấp. .. xuống dưới mức giới hạn cho phép (tuỳ theo từng nguồn, từng loại nước sẽ có các tiêu chuẩn khác nhau) Phải xử lý được kim loại nặng trong điều kiện nguồn nước có các thành phần cơ bản khác như phốt phát, sun phát • Giá thành kinh tế: Giá thành xử lý lm3 nước phải không quá cao • Chế độ vận hành và bảo trì: Dễ vận hành, bảo trì và hạn chế thay đôi pH của nước trong quá trình xử lý • Tỉnh an toàn và hiệu... hoá trong khi hấp phụ hoá học thì ngược lại • Tính đặc trưng của quá trình cũng khác biệt, hấp phụ hoá học xảy ra đặc trưng tuỳ điều kiện còn hấp phụ vật lý thì không • Số lớp hấp phụ cũng là đặc điểm khác biệt, hấp phụ hoá học là đơn lóp còn hấp phụ vật lý là đa lóp 1.4.2 Động học quá trình hấp phụ [2] Quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bồ mặt trong của chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp. .. đồi ion được tiến hành trong các cột cationit và anionit 1.4.5.3 Phương pháp điện hoá Dựa trên cơ sở của quá trình oxy hoá khử đề tách kim loại trên các điện cực nhúng trong nước thải chứa kim loại nặng khi cho dòng điện một chiều chạy qua Bằng phương pháp này cho phép tách các ion kim loại ra khỏi nước, không phải bổ sung hoá chất, song thích hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao (> lg/1), chi... và nghiền mịn để xử lý nước thải f Xử lý khỉ thải Bùn dở hấp thụ được 90% khí thải H2S và SO2 trong công nghiệp Neu trộn bùn với than chì thì hỗn hợp này có thể hấp thụ được các khí S02 trong lò hơi công nghiệp g Dùng làm chất tạo màu Bùn đỏ được ứng dụng để làm chất tạo màu cho bê tông, thuỷ tinh và sơn Độ đậm của màu sắc phụ thuộc vào hàm lượng oxit sắt có trong bùn và lượng bùn được đưa vào 1.3.4 . tài ■ Nghiên cứu chế tạo zeolit. ■ Chế tạo vật liệu hấp phụ kim loại nặng. ■ Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu trong phòng thí nghiệm. ■ Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu trên mẫu nước. được nghiên cứu thì phương pháp dùng vật liệu đồ hấp phụ dư lượng kim loại trong nước cho thấy có nhiều ưu điểm. Hướng nghiên cứu: Điều chế và khảo sát khả năng hấp phụ dư lượng kim loại nặng. lượng kim loại nặng trong nước là một nhu cầu cấp thiết hiện nay. Trong thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm mục đích loại bỏ dư lượng kim loại nặng trong nguồn nước. Trong