Nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý asen từ bùn đỏ biến tính

Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 20, số 3/2015 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XỬ LÝ ASEN TỪ BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH Đến Tòa soạn 21 - - 2015 Vũ Đức Lợi, Dương Tuấn Hưng, Nguyễn Thị Vân Viện Hoá học, Viện Hàn lâm Khoa học Và Công nghệ Việt Nam SUMMARY REMOVAL OF ARSENIC FROM WATER BY USING ACTIVATED RED MUD Red mud is the byproduct from alumina industry and has high metal oxides content which are active components for the adsorption of anion pollutants In this study, Alumin Lam Dong, Tay Nguyen red mud was characterized and investigated for removal of Arsenic from water The red mud shows a significant powder structure with very high increase of surface area of almost 1.5 times after activation by heat and acid treatment The factors influencing the adsorption including acid concentration, pH and contact time were also investigated The results show that the adsorption properties of activated red mud depend on pH values and acid concentration The adsorption of As(III) and As(V) reach the maximum when pH are 7.5 and 4; the contact time are 45 minutes and 90 minutes corresponding to the maximum adsorption capacity of 0.48 mg/g and 0.50 mg/g, respectively The Langmuir isotherm model fits well the arsenic adsorption showing one layer adsorption property Keywords: red mud, activated red mud, bauxite residue, arsenic adsorption, by-product recycling MỞ ĐẦU lâu ngày Asen gây bệnh ung thư Asen phổ biến môi trường độc bệnh hiểm nghèo khác Ô nhiễm Asen hại với người Nước sinh hoạt có chứa nước ngầm môt vấn đề mang tính nồng độ Asen cao vấn đề đặc toàn cầu trở thách cho biệt quan tâm kết nghiên cứu nhà khoa học toàn giới Đã có cho thấy lượng nhỏ Asen nhiều báo cáo tình trạng nước uống vào thể, Asen lưu năm gần từ nhiều khu vực giữ tích lũy dần mô giàu chất giới Mỹ, Trung Quốc, Chile, sừng tóc, móng tay da Khi tích lũy Mexico, Canada, Bangladesh, Ấn Độ Việt 140 Nam Nhiễm độc Asen từ nước giếng khoan hoạt hoá, bauxit hoạt hoá, hydroxit sắt vô trở thành mối đe dọa sức khỏe định hình7, hematit người dân vùng nông thôn nhiều nơi Bùn đỏ chất thải ngành công nghiệp giới đặc biệt Bangladesh Ở Việt khai thác chế biến bauxit sản xuất Nam theo nghiên cứu Phạm Thị Kim alumin theo quy trình Bayer sử dụng Trang cộng sự, hàm lượng Asen trung lượng lớn xút Nếu không quản lý bình nước ngầm giếng khoan hiệu quả, bùn đỏ mang lại nhiều số vùng nông thôn đồng sông nguy ảnh hưởng xấu đến môi trường Hồng lên tới 200 – 300 μg/l Tổ tính chất kiềm cao (pH 10-13)8 lượng chức Y tế Thế giới (WHO) quy định giới bùn thải lớn Vấn đề thải quản lý bùn đỏ hạn cho phép Asen nước uống là khó khăn lớn cho việc phát 10 μg/L triển ngành khai thác chế biến bauxit Asen nước tồn dạng hữu công nghiệp sản xuất alumin Các nghiên vô cơ, dạng vô phổ biến cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn đỏ để Asen dạng vô tồn dạng xử lý nước nước thải ý bùn oxi hoá -3, +3, +5; As(III) đỏ có chứa hỗn hợp oxit hydroxit As(V) dạng chủ yếu nước tự nhiên dạng hạt mịn có khả làm trung Trạng thái oxi hoá Asen nước tâm hấp phụ để xử lý chất gây ô nhiễm phụ thuộc chủ yếu vào pH điều kiện Trong nghiên cứu này, bùn đỏ Tây Nguyên oxi hoá khử Đất nước ngầm có pH thấp sử dụng làm nguyên liệu để chế tạo oxi hoá khử thuận lợi cho dạng vật liệu hấp phụ xử lý Asen nước As(III) As(V) dạng bền mặt THỰC NGHIỆM nhiệt động học phổ biến nước bề mặt 2.1 Hoá chất Dạng As(III) khó xử lý tách loại nước Do yêu cầu cao độ tinh khiết nên giá trị pH trung tính hoá chất HCl, dung dịch chuẩn As, phải đạt thiết bị xử lý nước thường bị oxi hoá chuẩn phân tích mua từ Merck Co thành dạng As(V) trước tách loại (Đức) phương pháp đồng kết tủa hấp 2.2 Chuẩn bị mẫu bùn đỏ phụ.3 Mẫu bùn đỏ lấy nhà máy Alumin Phương pháp phổ biến để xử lý Asen Lâm Đồng, Tân Rai, Lâm Đồng dạng bùn phương pháp keo tụ Một loạt vật thải ướt, sau mẫu lọc ép với áp liệu hấp phụ rắn nghiên cứu ứng suất cao để loại dịch bám theo bùn đỏ Mẫu dụng để xử lý Asen thay cho chất keo tụ bùn thải khô thu tiếp sấy khô muối sắt nhôm Thông thường 105°C để phục vụ nghiên cứu vật liệu hấp phụ bao gồm than hoạt 2.3 Hoạt hoá bùn đỏ tính , hydroxit nhôm vô định hình , alumin 2.3.1 Hoạt hoá nhiệt 141 Mẫu bùn đỏ sau ly tâm sấy khô Qe  105°C Mỗi mẫu cân 50g bùn đỏ khô cho (C0  Ce ).V % Hấp phụ = m vào chén sứ nung nóng tới nhiệt độ khác (C0  Ce ).100% C0 nhau: 200°C, 400°C, 600°C , 800 °C vòng Trong đó: 2.3.2 Hoạt hoá axit Qe: Dung lượng hấp phụ (mg/g); Mẫu bùn đỏ sau biến tính nhiệt độ C0: Nồng độ Asen ban đầu (mg/l); 800°C hoạt hóa axit với Ce: Nồng độ Asen cân cân nồng độ khác nhau, tiến hành sau: Cân thiết lập (mg/l); 50 g bùn đỏ biến tính nhiệt, V: Thể tích dung dịch Asen (lit); hòa tan lít dung dịch HCl có nồng m: Khối lượng hạt bùn đỏ độ: 0,25M; 0,5M; 1M; 1,5M; 2M khuấy KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN Sau lọc rửa với lít 3.1 Các đặc tính bùn đỏ khô bùn nước cất để loại bỏ axit dư chất tan đỏ hoạt hoá khác Phần cặn sau sấy khô 3.1.1 Thành phần hoá học bùn đỏ 105°C Sau nghiền mịn khô khảo sát khả hấp phụ As Thành phần hóa học bùn đỏ phân 2.3 Thí nghiệm hấp phụ As tích phương pháp quang phổ hấp thụ Trong nghiên cứu khả hấp phụ nguyên tử Kết phân tích thành phần Asen bùn đỏ, đặc tính hấp phụ hóa học mẫu bùn đỏ khô trình bày As(III) As(V) nghiên cứu theo Bảng Kết phân tích cho thấy, phương pháp mẻ thí nghiệm đánh thành phần bùn đỏ Fe2O3, giá theo chế độ tĩnh nhiệt độ phòng Cân Al2O3, SiO2 TiO2 g bùn đỏ cho vào bình nón 50 ml có nút Bảng Thành phần hoá học bùn đỏ khô đậy chứa dung dịch Asen với nồng độ xác định pH dung dịch điều chỉnh dung dịch HCl 0,1M Thể tích cuối định mức tới 25 mL với nước cất Dung dịch khuấy liên tục khuấy từ (400 vòng/phút) suốt thời gian thực phản ứng lọc Nồng độ Asen dịch lọc xác định phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử Nồng độ Asen hấp phụ tính hiệu số nồng độ Asen ban đầu nồng độ Asen cuối dịch lọc Xử lý kết theo công thức: 142 Thành phần Đơn hoá học vị Fe2O3 % 51,00 Al2O3 % 16,71 SiO2 % 5,98 TiO2 % 5,83 % 17,01 % 3,32 TT Mất nung Na2O Kết 3.1.2 Thành phần khoáng học, cấu trúc pha bùn đỏ ảnh hưởng hoạt hoá nhiệt Thành phần khoáng học cấu trúc pha Quartz Sodium Aluminum Silicat hydrat, phân tích máy nhiễu xạ tia X TiO2 chiếm 5,83% thành phần SIEMENS (Model D500) sử dụng xạ bùn đỏ không xuất cấu trúc Co Kα với kính lọc Fe Tốc độ quét góc pha tinh thể mẫu bùn đỏ Các tín hiệu độ/phút khoảng góc quét từ 15 tới đặc trưng thành phần cấu 65°C Kết xác định cấu trúc pha trúc pha dạng Gibbsite, Geothite bùn đỏ theo phương pháp nhiễu xạ tia X Hematite, thành phần tạo (XRD) trình bày Hình tính chất hấp phụ bùn đỏ Để Bảng Kết phân tích thành phần tăng khả hấp phụ, bùn đỏ cần phải cấu trúc pha bùn đỏ khô cho thấy, dạng hoạt hóa nhiệt sau hoạt hóa kết tinh bùn đỏ tồn dạng chủ yếu axit bao gồm: Gibbsite, Geothite, Hematite, Hình Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu bùn đỏ khô Bảng Các dạng cấu trúc pha bùn đỏ khô TT Công thức hoá học Dạng tồn Al(OH)3 Gibbsite FeO(OH) Geothite Fe2O3 Hematite SiO2 Quartz 1.08Na2O.Al2O31.68SiO2.1.8H2O Sodium Aluminum Silicat Hydrat Phổ nhiễu xạ tia X thành phần cấu trúc pha bùn đỏ hoạt hoá nhiệt trình bày Hình Bảng 143 (b) (a) (d) (c) Hình Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) bùn đỏ sau hoạt hoá nhiệt (a) 200ºC (b) 400ºC (c) 600ºC (d) 800ºC Bảng Cấu trúc pha hợp phần bùn đỏ hoạt hoá nhiệt độ khác (200 – 800ºC) Nhiệt độ Công thức hóa học (ºC) Al(OH)3 FeO(OH) Fe2O3 SiO2 1.08 Na2O.Al2O3.1.68SiO2.1.8H2O 200 Gibbsite Geothite Hematite Quartz Sodium Aluminum Silicat hydrat 400 Gibbsite - Hematite - Sodium Aluminum Silicat hydrat 600 - - Hematite Quartz Sodium Aluminum Silicat hydrat Hematite - Sodium Aluminum Silicat hydrat 800 144 Kết phân tích đánh giá mức độ hoạt hóa bùn đỏ cho thấy cấu trúc pha bùn đỏ thay đổi nhiệt độ tăng dần Khi biến tính nhiệt độ 600°C tín hiệu pic chủ yếu pha Hematit Khi hoạt hóa nhiệt độ 200°C thành phần pha bùn thay đổi không nhiều, tín hiệu Sodium Aluminum Silicat hydrat Khi biến tính nhiệt độ 800°C tín pic Hematite tăng dần tín hiệu pic Geothite giảm dần, thay đổi lý hiệu pic chủ yếu pha Hematit chiếm hoàn toàn ưu phần nhỏ Sodium giải dịch chuyển pha từ dạng FeO(OH) dạng Fe2O3 tăng nhiệt độ Aluminum Silicat hydrat Sự hình thành Hematit sinh làm tăng tâm hấp phụ Khi biến tính nhiệt độ 400°C tín hiệu pic pha Geothite không xuất hiện, điều bùn đỏ dẫn đến khả hấp phụ tăng Chính nhiệt độ 800°C nhiệt độ phù hợp chứng tỏ tất dạng FeO(OH) chuyển dạng Fe2O3 tín hiệu píc chọn để hoạt hóa bùn đỏ dạng Gibbsite giảm dần chuyển pha dạng Sodium Aluminum Silicat hydrat lượng xút dư bùn đỏ phản ứng với nhôm silic (a) 3.1.3 Hình thái học bùn đỏ Hình thái học bùn đỏ phân tích phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy hay SEM) (b) (c) Hình Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) (a) mẫu bùn đỏ khô (b) mẫu bùn đỏ sau hoạt hoá nhiệt 800ºC (b) mẫu bùn đỏ sau hoạt hoá nhiệt 800ºC tiếp tục hoạt hoá axit HCl 1M sau 145 Kết Hình 3(a) cho thấy bùn đỏ khô 3.1.4 Diện tích bề mặt riêng mẫu sau rửa có dạng hạt mịn có kích thước hạt trung bình