Nghiên cứu tái chế bùn đỏ thành chất keo tụ đa thành phần dùng cho xử lý nước thải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - Nguyễn Nam Giang NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ BÙN ĐỎ THÀNH CHẤT KEO TỤ ĐA THÀNH PHẦN DÙNG CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Nam Giang NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ BÙN ĐỎ THÀNH CHẤT KEO TỤ ĐA THÀNH PHẦN DÙNG CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 60520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Thị Hồng Hà Nội - 2015 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu bauxit 1.1.1 Bauxit 1.1.2 Tình hình khai thác chế biến bauxit giới Việt Nam 1.1.3 Công nghệ sản xuất alumin 1.2 Giới thiệu bùn đỏ 1.2.1 Đặc điểm, thành phần hóa học tính chất vật lý 1.2.2 Phương hướng xử lý bùn đỏ 11 1.2.3 Ứng dụng bùn đỏ công nghệ môi trường 16 1.3 Tổng quan keo tụ 18 1.3.1 Khái niệm 18 1.3.2 Cấu tạo hạt keo 18 1.3.3 Cơ chế trình keo tụ 19 1.3.4 Các phương pháp keo tụ 23 1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình keo tụ 26 1.4 Giới thiệu loại nước thải 27 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1 Đối tượng nghiên cứu 29 2.2 Nguyên liệu, hóa chất thiết bị 29 2.2.1 Nguyên liệu 29 2.2.2 Hóa chất 29 2.2.3 Dụng cụ, thiết bị 30 2.3 Các phương pháp nghiên cứu 30 2.3.1 Phương pháp xác định đặc tính hóa lý bùn đỏ 30 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ Tân Rai 35 2.3.3 Phương pháp xác định khả keo tụ BĐ Al – Fe 40 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Kết nghiên cứu bùn đỏ Tân Rai 44 3.1.1 Kết phân tích cấu trúc pha bùn đỏ Tân Rai 44 3.1.2 Kết phân tích hình thái cấu trúc, diện tích bề mặt bùn đỏ 45 3.1.3 Kết phân tích thành phần hóa học bùn đỏ Tân Rai 46 3.2 Kết nghiên cứu trình chế tạo chất keo tụ đa thành phần từ bùn đỏ Tân Rai 47 3.2.1 Kết nghiên cứu trình hòa tách bùn đỏ 47 3.2.2 Quy trình chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe từ bùn đỏ Tân Rai 55 3.2.3 Kết phân tích thành phần chất keo tụ BĐ Al - Fe 56 3.3 Kết nghiên cứu khả keo tụ từ chất keo tụ BĐ Al – Fe 56 3.3.1 Kết nghiên cứu xác định giá trị pH tối ưu chất keo tụ BĐ Al – Fe 56 3.3.2 Kết nghiên cứu xác định liều lượng tối ưu chất keo tụ BĐ Al - Fe 57 3.3.3 Kết nghiên cứu khả keo tụ xử lí nước thải, so sánh với PAC, phèn nhôm, phèn sắt 60 KẾT LUẬN 64 KIẾN NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 70 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Sự phân bố trữ lượng bauxit châu lục Bảng 1.2 Trữ lượng bauxite sản lượng khai thác giới Bảng 1.3 Thành phần hóa học bùn đỏ 10 Bảng 1.4 Tỷ lệ cấp hạt bùn đỏ 10 Bảng 2.1 Liều lượng chất keo tụ sử dụng để keo tụ 43 Bảng 3.1 Kết đo BET mẫu bùn đỏ Tân Rai 46 Bảng 3.2 Thành phần bùn đỏ Tân Rai 46 Bảng 3.3 Kết ảnh hưởng nồng độ axit đến trình hòa tách bùn đỏ 47 Bảng 3.4 Kết ảnh hưởng nhiệt độ đến trình hòa tách bùn đỏ 49 Bảng 3.5 Kết ảnh hưởng tốc độ khuấy đến trình hòa tách bùn đỏ 50 Bảng 3.6 Kết ảnh hưởng tỷ lệ lỏng/rắn đến trình hòa tách bùn đỏ 52 Bảng 3.7 Kết ảnh hưởng thời gian hòa tách đến trình hòa tách bùn đỏ 53 Bảng 3.8 Thành phần chất keo tụ BĐ Al – Fe 56 Bảng 3.9 Thành phần nước thải trước sau keo tụ pH khác 56 Bảng 3.10 Thành phần nước trước sau keo tụ sử dụng liều lượng keo tụ khác pH = 57 Bảng 3.11 Trạng thái cân thủy phân ion Al3+ Fe3+ bậc khác 58 Bảng 3.12 Thành phần nước trước sau sử dụng chất keo tụ khác 60 Bảng 3.13 Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- số chất keo tụ 60 Bảng 3.14 Thành phần nước trước sau sử dụng chất keo tụ khác 61 Bảng 3.15 Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- 62 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý công nghệ Bayer sản xuất Alumin Hình 1.2 Cấu tạo hạt keo 20 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị SEM 33 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bùn đỏ Tân Rai 44 Hình 3.2 Ảnh chụp SEM mẫu bùn đỏ Tân Rai 45 Hình 3.3 Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào nồng độ axit 47 Hình 3.4 Sự phụ thuộc hiệu suất chuyển hóa vào nhiệt độ 49 Hình 3.5 Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào tốc độ khuấy 51 Hình 3.6 Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào tỷ lệ lỏng/rắn 52 Hình 3.7 Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào thời gian hòa tách 54 Hình 3.8 Sơ đồ quy trình chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe từ bùn đỏ 55 Hình 3.9 Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- 61 Hình 3.10 Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- 62 Hình PL Phần bã sau trình hòa tách 70 Hình PL Quá trình làm thực nghiệm 70 Hình PL Chất keo tụ BĐ Al – Fe sau lọc 70 Hình PL Mẫu nước thải trước sau cho chất keo tụ 71 MỞ ĐẦU Trên giới, nhôm bốn kim loại màu sử dụng nhiều ngành công nghiệp quan trọng như: chế tạo thiết bị điện, phương tiện vận tải, xây dựng, chế tạo máy, vũ khí, vật liệu bao gói sản xuất đồ gia dụng Tổng lượng tiêu thụ nhôm nguyên sinh giới năm 2007 đạt 38 triệu dự báo đạt 74,9 triệu vào năm 2020 Theo đánh giá AOA VAMI RUSAL (Nga), sản lượng nhôm oxit năm 2020 148.7 triệu tăng 73 triệu so với năm 2007 Sự tăng trưởng mạnh mẽ sản lượng alumin đạt nhu cầu nhôm tăng mạnh, đặc biệt từ nhu cầu Trung Quốc quốc gia thuộc Mỹ La tinh Bauxit tài nguyên khoáng sản dồi Trái đất Quặng bauxit Việt Nam đánh giá có trữ lượng lớn thứ ba giới với khoảng 5,4 tỷ [10] So với mỏ bauxit giới, mỏ bauxit Việt Nam đánh giá có chất lượng trung bình Quặng bauxit nước ta phân bố khu vực phía Bắc phía Nam, tập trung nhiều vùng Tây Nguyên (chiếm 91,4%) Với chủ trương khai thác nguồn tài nguyên để phục vụ phát triển kinh tế đất nước, từ năm 1970, Chính phủ cho triển khai dự án sản xuất nhôm từ mỏ bauxit Ma Mèo, nhà máy sản xuất hydroxyt nhôm Công ty Hóa chất Cơ miền Nam hình thành Một số dự án lớn sản xuất alumin hydroxyt nhôm bao gồm: Nhà máy hóa chất Tân Bình sản xuất hydroxyt nhôm TPHCM, nhà máy alumin Tân Rai (tỉnh Lâm Đồng), nhà máy alumin Nhân Cơ (tỉnh Đăk Nông) Từ bauxit thu hồi alumin (Al2O3) tiếp tục điện phân thu hồi nhôm kim loại Hơn 90% sản lượng alumin sử dụng làm nguyên liệu cho trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% lại sử dụng công nghiệp hóa chất ngành công nghiệp khác Công nghệ sản xuất alumin từ quặng bauxit phương pháp Bayer tạo lượng chất thải lớn gọi bùn đỏ Bùn đỏ bao gồm thành phần hòa tan, trơ bền vững điều kiện phong hóa hematit, natrisilicat, aluminate, canxi - titanat, mono - hydrat nhôm… đặc biệt có chứa lượng xút, hóa chất độc hại dư thừa từ trình sản xuất alumin nên độ kiềm cao (pH = 10 – 13), khó đóng rắn lẫn nhiều tạp chất nên dễ phát tán gây ô nhiễm môi trường Cho đến nay, giới có số công trình nghiên cứu sử dụng bùn đỏ chưa có giải pháp hữu hiệu giải vấn đề Do đó, việc nghiên cứu sử dụng, xử lý bùn đỏ cần thiết Thành phần bùn đỏ oxit sắt, nhôm, silic, titan, kim loại kiềm Với hàm lượng chủ yếu oxit sắt, oxit nhôm, bùn đỏ sử dụng chất keo tụ Quá trình keo tụ kèm với việc hình thành hidroxit nhôm sắt có khả hấp phụ nhiều tạp chất như: photphat, As (V), cromat, , số loại chất hữu Bên cạnh đó, bùn đỏ có số kim loại khác như: titan, canxi, có số tác dụng trình keo tụ làm nước Vì lí trên, đề tài: “Nghiên cứu tái chế bùn đỏ thành chất keo tụ đa thành phần dùng cho xử lý nước thải” vừa cần thiết lại có tính ứng dụng việc xử lý vấn đề môi trường Mục tiêu nghiên cứu  Nghiên cứu điều kiện tối ưu chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ Tân Rai  Nghiên cứu khả ứng dụng chất keo tụ xử lý độ đục, COD PO43Nội dung nghiên cứu  Nghiên cứu đặc tính hóa lý bùn đỏ  Nghiên cứu quy trình chế tạo chất keo tụ đa thành phần từ bùn đỏ  Thử nghiệm ứng dụng chất keo tụ xử lý nước thải CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu bauxit 1.1.1 Bauxit Bauxit loại quặng nhôm phổ biến tìm thấy lớp vỏ trái đất, có màu hồng nâu, hình thành từ trình phong hóa đá giàu nhôm tích tụ từ quặng có trước trình xói mòn Từ bauxit tách alumin (Al2O3) – nguyên liệu để luyện nhôm lò điện phân Khoảng 95% lượng bauxit khai thác giới dùng để luyện nhôm Bauxit quặng nhôm quan trọng cho ngành công nghiệp sản xuất nhôm hợp chất nhôm, mà dùng để sản xuất corundum nhân tạo, xi măng alumin, gạch chịu lửa… Quá trình phong hóa hình thành quặng bauxit loại đá thường trải qua giai đoạn sau: - Phong hóa nước thấm lọc vào đá gốc tạo oxit nhôm sắt - Làm giàu trầm tích hay đá bị phong hóa rửa trôi nước ngầm - Xói mòn tái tích tụ bauxit Quá trình chịu ảnh hưởng số yếu tố: - Đá mẹ chứa khoáng vật dễ hòa tan khoáng vật bị rửa trôi để lại nhôm sắt - Ở nơi có lượng mưa cao xen kẽ đợt khô hạn ngắn - Hệ thống thoát nước tốt - Khí hậu nhiệt đới ẩm - Có mặt lớp phủ thực vật với vi khuẩn Các khoáng vật nhôm có quặng tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa cấu trúc tinh gồm: Gibbsite Al(OH)3, Diaspore α- TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Vũ Ngọc Ban (2007), Giáo trình thực tập hóa lý - Điều chế hệ keo khảo sát số tính chất chúng, NXB Đại học quốc gia Hà Nội Nguyễn Bin (2008), Các trình, thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm tập - NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Phạm Đăng Địch, PGS TS Lê Xuân Khuông, TS Lê Gia Mô, KS Dương Thanh Sủng (3/2003), Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu công nghệ tiên tiến sản xuất alumin từ quặng tinh bôxit Tân Rai - Lâm Đồng điện phân nhôm đạt chất lượng thương phẩm Lưu Đức Hải (2014), Báo cáo đề tài: Nghiên cứu khả chế tạo vật liệu xây dựng từ bùn đỏ phát sinh công nghệ sản xuất alumin Tây Nguyên, Đại học quốc gia Hà Nội Nguyễn Quốc Khánh (2009), “Phục hồi môi trường sau khai thác quặng bauxit chế biến alumin”, Tạp chí Công nghệ mỏ, Số 5, tr 46 – 48 Đỗ Quang Minh (2009), “Xi măng từ bùn đỏ”, Tạp chí Vật liệu xây dựng Việt Nam, Tập 1, số 25, tr 40 – 44 Nguyễn Trung Minh (2011), “Hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ bauxit Bảo Lộc định hướng ứng dụng xử lý ô nhiễm nước thải”, Tạp chí Các khoa học trái đất, Số 33(2), tr 231 - 237 Nguyễn Cảnh Nhã (2007), “Một số kết nghiên cứu công nghệ tuyển quặng bauxit”, Tạp chí Công nghệ Mỏ, Số 5, tr 18 -21 Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2009), Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 65 10 Quy hoach phân vùng thăm dò , khai thác, chế biến sử dung quăng bauxit giai đoan ̣ 2007-2015 có xét đến năm 2025 (2007), Quyết đinh phê duyêṭ Thủ tướng phủ số 167/2007/QĐ-TTg 11 Nguyễn Thị Thu Thủy (2006), Xử lý nước cấp sinh hoạt công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 12 Nguyễn Văn Tiến, Lê Thị Mai Hương, Nguyễn Bích Thủy (2014), “Nghiên cứu khả chế tạo chất keo tụ chất hấp phụ từ bùn đỏ Tây Nguyên theo quy trình khép kín đánh giá khả ứng dụng sản phẩm”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Tập 52 (2B), tr 99 – 105 13 Nguyễn Khắc Vinh (2009), “Tài nguyên Bauxit Thế giới Việt Nam”, Tạp chí tài nguyên môi trường, số 7, tr 49 – 51 14 Pham Gia Vu, Trinh Anh Trúc, Tô Thị Xuân Hằng, Nguyễn Thị Dương, Nguyễn Vũ Giang (2012), “Nghiên cứu sử dụng bùn đỏ bột màu sơn bảo vệ chống ăn mòn”, Tạp chí Hóa học, T.50(6), tr 717 – 720 Tiếng Anh 15 A H Bhat, A K Banthia (2007), “Preparation and characterization of poly (vinyl alcohol) - modified red mud composite materials”, Joumal of Applied Polymer Science, 103(1), pp 238 – 243 16 A H Bhat, H r S Abdul Khalil, Irshad-ul-Haq Bhal, A K Banthia (2011), “Development and Characterization of Novel Modified Red Mud Nanocomposiles Based on Polyfhydroxy ether of Bisphenol A”, Joumal of Applied Polymer Science, 119, pp 515 – 522 17 United Nations Industrial Development Organization (1991), Alumina Industry: Conference on Ecologically Sustainable Industrial Development, Copenhagen, Denmark 66 18 Batra V S., Urbonaite S., Svensson G (2008), “Characterization of unburned carbon in bagasse fly ash”, Fuel 87, pp 2972 – 2976 19 Brunori C., Cremisini C., Massanisso P., Pinto V., Torricelli L (2005), “Reuse of a treated red mud bauxite waste: studies on environmental compatibility”, Journal of Hazardous Materials, pp 55 – 63 20 Cablik V (2007), “Characterization and applications of red mud from bauxite processin”, Gospodarka surowcami mineralnymi, 23 (4), pp 27 – 38 21 C Klauber, M Gräfe, G Power (2011), Bauxite residue issues: II options for residue utilization, Hydrometallurgy, 108, pp 11 – 32 22 Fan, H.L., Li, C.H., Xie, K.C., (2005), “Testing of iron oxide sorbent for hightemperature coal gas desulfurization”, Energy Sour, 27, pp 245 – 250 23 J Bratby (2006), Coagulation and Flocculation in Water and Wastewater Treatment, 2nd Edition, IWA Publisher, London 24 Jia-Qian Jiang, Nigel J D Graham (1998), “Pre-polymerised inorganic coagulants and phosphorus removal by coagulation - A review”, Environmental and Water Resource Engineering, Vol 24, No 3, pp 237 – 244 25 Jorge Alvarez, Roberto Rosal, Herminio Sastre, Fernando V Diez (1995), Characterization and deactivation of sulfided red mud used as hydrogenation catalyst, Derpartment of Chemical Engineering, University of Oviedo, Spain 26 Jones, G., Joshi, G., Clark, M., McConchie, D (2006), “Carbon capture and the aluminum industry: preliminary studies” Environ Chem 3, pp 297 – 303 27 K Snars, R.J Gilkes (2009), “Evaluation of bauxite residues (red muds) of defferent origins for environmental applications”, J Applied Clay Science, pp 13 – 20 67 28 Maneesh Singh, S.N.Upadhayay, P.M.Prasad (1997), “Preparation of iron rich cements using red mud”, Cement and Concrete Research, Vol.27, No.7, pp.1037 -1046 29 Menzies N W., Fulton I M., Morrell W J (2004), “Seawater Neutralization of Alkaline Bauxite Residue and Implications for Revegetation”, J Environ Qual, 33, pp 1877 – 1884 30 Paramguru, R.; Rath, P.; Misra, V.(2005), “Trends in red mud utilization - A review”, Min Process Extract Metall Rev, 26(1), pp – 29 31 American Water Works Association (2003), Principal and Practices of Water Supply Operations, Water Treatment, Third Edition, Science and Technology, USA 32 R.Hind, S.K.Bhargava, Stephen C Grocott (1999), “The surface chemistry of Bayer process solids: a review”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 146, pp 359 – 374 33 Shaobin Wang, HM.Ang, MO.Tadé (2008), “Novel application of red mud as coagulant, adsorbent and catalyst of environmentally benign processes”, Chemosphere, 72, pp 1621 – 1635 34 Thakur, R S.; Sant, B R (1983), “Utilization of red mud, recovery of alkali, iron, aluminum, titanium, and other constituents and the pollution problems”, J Sci.Industr Res, 42 35 Wanchao Liu, Jiakuan Yang , Bo Xiao (2009), “Review on treatment and utilization of bauxite residues in China”, International Journal of Mineral Processing, 93, pp 220 – 231 36 Wang, X.F., Lin, H.Y., Yang, Y.F., Ma, Y.W (2007), “Preparation of burned brick by red mud of Bayer process”, New Building Materials, 34 (7), pp 24 – 26 68 37 Y Geng (2005), Application of flocs analysis for coagulation optimization at the split lake water treatment plant, A Thesis submitted to Department of Civil & Geological Engineering, University of Manitoba, Winnipeg, Manitoba 38 Yang, J.K., Liu, W.C., Li, G., et al (2008), A kind of composite brick made from red mud in Bayer process and its production method, China Patent 39 Ying Zhao, Jun Wang, Zhaok un Luan (2009), “Removal of phosphate from aqueous solution by red mud using a factorial design”, Journal of Hazardous Materials, (165), pp 1193 – 1199 40 Yunus Cengeloglu (2001), “Recovery and Concentration of Al(III), Fe(III), Ti(IV) and Na(I) from red mud”, J.Coloids and Interface Sciences A, 244, pp 342 - 346 69