Nghiên cứu hoạt hóa bùn đỏ để hấp phụ một số anion ô nhiễm trong môi trường nước

B GIO DC V O TO VIN HN LM KHOA HC V CễNG NGH VIT NAM HC VIN KHOA HC V CễNG NGH - V XUN MINH NGHIấN CU HOT HểA BN HP PH MT S ANION ễ NHIM TRONG MễI TRNG NC LUN N TIN S HểA HC H NI 2017 B GIO DC V O TO VIN HN LM KHOA HC V CễNG NGH VIT NAM HC VIN KHOA HC V CễNG NGH .*** V XUN MINH NGHIấN CU HOT HểA BN HP PH MT S ANION ễ NHIM TRONG MễI TRNG NC Chuyờn ngnh: Húa lý thuyt v húa lý Mó s: 62.44.01.19 LUN N TIN S HểA HC NGI HNG DN KHOA HC: PGS TS Nguyn Tun Dung TS Nguyn V Giang H Ni 2017 LI CAM OAN Tụi xin cam oan õy l cụng trỡnh nghiờn cu ca tụi v cỏc cng s Tt c cỏc xut bn c cụng b chung vi cỏc cỏn b hng dn khoa hc v cỏc ng nghip ó c s ng ý ca cỏc tỏc gi trc a vo lun ỏn Cỏc s liu, kt qu lun ỏn l trung thc, cha tng c cụng b v s dng bo v bt c mt lun ỏn no khỏc Tỏc gi lun ỏn V Xuõn Minh LI CM N Tụi xin c by t lũng bit n sõu sc ti PGS.TS Nguyn Tun Dung v TS Nguyn V Giang, nhng ngi thy ó tn tỡnh hng dn, ch bo v giỳp tụi sut thi gian thc hin lun ỏn Tụi xin trõn trng cm n Lónh o Vin K thut Nhit i, cỏc cỏn b phũng Nghiờn cu ng dng v Trin khai Cụng ngh ó ng h v to mi iu kin thun li cng nh nhng gúp ý v chuyờn mụn cho tụi sut quỏ trỡnh thc hin lun ỏn Tụi xin cm n cỏc ng nghip ti Trung tõm phỏt trin cụng ngh sch v vt liu, Vin Húa hc cỏc Hp cht thiờn nhiờn, c bit l PGS.TS Lờ Th Mai Hng, ó to iu kin giỳp tụi thc hin mt s ni dung quan trng ca lun ỏn, ng thi cú nhng gúp ý quý bỏu v chuyờn mụn Cui cựng tụi xin cm n gia ỡnh, ngi thõn v bn bố ó luụn quan tõm, giỳp , ng viờn v khớch l tụi sut quỏ trỡnh hc v nghiờn cu H Ni, ngy thỏng nm Tỏc gi lun ỏn V Xuõn Minh MC LC DANH MC CC Kí HIU V CH VIT TT i DANH MC HèNH ii DANH MC BNG v M U CHNG 1: TNG QUAN 1.1 GII THIU CHUNG V BN 1.1.1 S hỡnh thnh bựn 1.1.2 Cỏc c trng quan trng ca bựn 1.1.3 Nguy c ụ nhim mụi trng t bựn 1.2 CC BIN PHP X Lí V TI S DNG BN 10 1.2.1 Lu tr v chụn lp bựn 10 1.2.2 Trung hũa bựn 12 1.2.3 Tỏi s dng bựn 14 1.3 PHNG PHP HP PH NG DNG TRONG X Lí NC 18 1.3.1 Tng quan chung v hp ph mụi trng nc 18 1.3.2 Vt liu hp ph cú ngun gc t nhiờn v ph phm cụng nụng nghip22 1.4 NGHIấN CU NG DNG BN LM VT LIU HP PH 25 1.4.1 Hp ph kim loi nng 25 1.4.2 Hp ph anion 28 1.4.3 Hp ph cỏc cht hu c 31 CHNG 2: THC NGHIM 35 2.1 NGUYấN LIU V HểA CHT 35 2.2 TRUNG HếA BN 36 2.3 HOT HểA BN 36 2.4 CC PHNG PHP NGHIấN CU C TRNG VT LIU 38 2.4.1 Phng phỏp chun 38 2.4.2 Phng phỏp nhiu x tia X (XRD) 39 2.4.3 Phng phỏp hin vi in t quột 39 2.4.4 Phng phỏp ph tỏn sc nng lng tia X (EDX) 40 2.4.5 Phng phỏp tỏn x Laser 40 2.4.6 Phng phỏp xỏc nh din tớch b mt riờng BET 40 2.4.7 Phng phỏp phõn tớch nhit 41 2.4.8 Phng phỏp ph hng ngoi FT-IR 41 2.4.9 Phng phỏp trc quang 42 2.5 NGHIấN CU KH NNG HP PH CC ANION CA BN V BN HOT HểA 43 2.5.1 Nghiờn cu kh nng hp ph anion Cr(VI) 44 2.5.2 Nghiờn cu kh nng hp ph anion F- 44 2.5.3 Nghiờn cu kh nng hp ph cht mu 45 2.5.4 Nghiờn cu kh nng hp ph phosphat 46 CHNG 3: KT QU V THO LUN 48 3.1 C TRNG TNH CHT CA BN TRC V SAU KHI HOT HểA 48 3.1.1 Trung hũa bựn bng cỏc phng phỏp khỏc 48 3.1.2 Hot húa bựn hng axit 53 3.1.3 Hot húa nhit v hot húa kt hp 58 3.1.4 Kho sỏt nh hng ca yu t x lý ti kh nng hp ph ca bựn 62 3.2 NGHIấN CU KH NNG HP PH Cr(VI) CA BN HOT HểA AXIT 65 3.2.1 Kho sỏt nh hng ca pH 65 3.2.2 Nghiờn cu ng hc ca quỏ trỡnh hp ph Cr(VI) trờn BA 66 3.2.3 Nghiờn cu ng nhit hp ph 68 3.3 NGHIấN CU KH NNG HP PH FLORUA CA BN HOT HểA AXIT 70 3.3.1 Kho sỏt nh hng ca pH 70 3.3.2 Kho sỏt nh hng ca lng cht hp ph 71 3.3.3 Nghiờn cu ng hc ca quỏ trỡnh hp ph F- trờn BA 71 3.3.4 ng nhit hp ph 73 3.3.5 X lý mu nc nhim ion F- thc t 75 3.4 KHO ST KH NNG HP PH CHT MU ANION 77 3.4.1 Xõy dng ng chun xỏc nh nng cht mu 77 3.4.2 Kho sỏt nh hng ca pH 78 3.4.3 Kho sỏt nh hng ca lng cht hp ph 79 3.4.4 Nghiờn cu ng hc ca quỏ trỡnh hp ph cht mu trờn BA 80 3.4.5 ng nhit hp ph 82 3.4.6 Phõn tớch ph hng ngoi FT-IR 85 3.4.7 X lý mu nc thi dt nhum thc t 87 3.5 KHO ST KH NNG HP PH PHOSPHAT CA BN HOT HểA NHIT V BN HOT HểA KT HP 88 3.5.1 Kho sỏt nh hng ca pH 88 3.5.2 Kho sỏt nh hng ca lng cht hp ph 91 3.5.3 Nghiờn cu ng hc ca quỏ trỡnh hp ph phosphat 91 3.5.4 ng nhit hp ph 93 3.5.5 X lý mu nc thi thc t nhim phosphat 95 KT LUN CHUNG 97 NHNG ểNG GểP MI CA LUN N 99 DANH MC CC CễNG TRèNH CễNG B 100 TI LIU THAM KHO 101 PH LC 106 DANH MC CC Kí HIU V CH VIT TT Ký hiu Tờn y BT Bựn thụ B-HCl Bựn trung hũa bng axit HCl 10-4 M B-G Bựn trung hũa bng Gypsum B-NB Bựn trung hũa bng nc bin BA Bựn x lý bng axit BN Bựn x lý nhit BN600 Bựn x lý nhit 600oC BN650 Bựn x lý nhit 650oC BN700 Bựn x lý nhit 700oC BN800 Bựn x lý nhit 800oC BN900 Bựn x lý nhit 900oC BAN Bựn hot húa kt hp bng axit H2SO4 2M v nung 700oC BET Brunauer-Emmett-Teller B-MERF Blue MERF DTA Phõn tớch nhit vi sai EDX Ph tỏn sc nng lng tia X FT-IR Ph hng ngoi bin i Fourier qmax Dung lng hp ph cc i qtn Dung lng hp ph thc nghim qe Dung lng hp ph tớnh toỏn R-3BF Red 3BF SEM Hin vi in t quột TGA Phõn tớch nhit trng lng UV-vis Ph t ngoi kh kin XRD Nhiu x tia X Y-3GF Yellow 3GF i DANH MC HèNH Hỡnh 1 S hai quy trỡnh ch bin qung bauxit ca Bayer [4] Hỡnh Lp lút vi a k thut lũng h bựn 11 Hỡnh nh hng ca pH n kh nng hp ph As(III) trờn bựn thụ (RRM); bựn x lý nhit (A) v bựn x lý axit (B) [45] 27 Hỡnh ng hc hp ph song song bc ca phosphat trờn bựn v bựn hot húa bng cỏc phng phỏp khỏc [56] 31 Hỡnh nh hng ca phng phỏp hot húa n ng nhit hp ph ca tro bay (A) v bựn (B) T = 30oC, pH = 5,2 [64] 33 Hỡnh S hot húa bựn bng axit 37 Hỡnh 2 H thit b thớ nghim hot húa bựn bng axit 37 Hỡnh Gin khuy cn thc nghim kho sỏt hp ph .43 Hỡnh pH ca bựn trung hũa bng a) HCl; b) nc bin; c) gypsum .49 Hỡnh Gin nhiu x tia X ca bựn thụ (A) v sau trung hũa: B-HCl (B); B-NB (C) v B-G (D) 50 Hỡnh 3 ng ng nhit hp ph-gii hp khớ nit ca (A) BT; (B) B-HCl; (C) B-NB; (D) B-G 52 Hỡnh Gin XRD ca bựn trc (A) v sau x lý axit (B) 54 Hỡnh nh SEM ca bựn trc (BT) v sau x lý axit (BA) 55 Hỡnh Biu phõn b kớch thc ht ca bựn trc (BT) v sau hot húa axit (BA) 56 Hỡnh ng hp ph - gii hp nit ca (A) bựn thụ v (B) bựn hot húa axit .57 Hỡnh 8: S phõn b th tớch l xp ca (A) BT, (b) BA 57 Hỡnh Gin phõn tớch nhit ca bựn 58 Hỡnh 10 Gin nhiu x tia X ca A) BN700 v B) BAN 59 Hỡnh 11 nh SEM ca BN700 v BAN 60 Hỡnh 12 ng hp ph - gii hp khớ nit ca A) BT, B) BN700, C) BN900 v D) BAN 61 Hỡnh 13 S phõn b th tớch l xp ca cỏc mu (a) BT, (b) BN700, (c) BN900 v (d) BAN 61 ii Hỡnh 14 ng chun xỏc nh nng (A) Cr(VI), (B) phopho tng, (C) F- v (D) Y-3GF 63 Hỡnh 15 So sỏnh dung lng hp ph ca bựn hot húa bng cỏc phng phỏp khỏc 64 Hỡnh 16 nh hng ca pH ti dung lng hp ph Cr(VI) trờn BA .65 Hỡnh 17 Cỏc dng tn ti ca ion Cr(VI) dung dch theo pH vi nng Cr(VI) 0,1 M theo ti liu [71] 66 Hỡnh 18 Dung lng hp ph Cr(VI) ca BA theo thi gian tip xỳc .67 Hỡnh 19 ng hc hp ph biu kin bc (A) v bc (B) ca quỏ trỡnh hp ph Cr(VI) trờn BA 67 Hỡnh 20 nh hng ca nng Cr(VI) ban u ti kh nng hp ph ca BA 68 Hỡnh 21 ng ng nhit hp ph Cr(VI) ca BA: (A) Langmuir, (B) Freundlich 69 Hỡnh 22 nh hng ca pH n dung lng hp ph F- ca BA 70 Hỡnh 23 nh hng ca lng BA n kh nng hp ph F- 71 Hỡnh 24 Dung lng hp ph F- trờn BA theo thi gian tip xỳc 72 Hỡnh 25 ng hc hp ph biu kin bc (A) v bc (B) ca quỏ trỡnh hp ph F- trờn BA Nng F- ban u () 50 mg/L, () 100 mg/L .72 Hỡnh 26 nh hng ca nng F- ban u n kh nng hp ph ca BA 74 Hỡnh 27 ng ng nhit hp ph F- ca BA: (A) Langmuir; (B) Freundlich 74 Hỡnh 28 Kt qu x lý nc nhim florua ly t cụng ty CP phõn lõn nung chy Vn in 76 Hỡnh 29 ng chun xỏc nh nng (A)Y-3GF; (B)R-3BF v (C)B-MERF 77 Hỡnh 30 nh hng ca pH ti dung lng hp ph: (A) Y-3GF; (B) R-3BF; (C) B-MERF trờn BA 78 Hỡnh 31 nh hng ca lng BA ti kh nng hp ph Y-3GF (A); R-3BF (B) v B-MERF (C) 79 Hỡnh 32 Hiu sut hp ph (A) Y-3GF; (B) R-3BF; (C) B-MERF ca BA theo thi gian tip xỳc, vi C0 l 30, 70 v 100 mg/L 80 iii KT LUN CHUNG Trong lun ỏn ny, bựn -bó thi ca nh mỏy Alumin Tõn Rai (Lõm ng) c nghiờn cu chuyn húa lm vt liu hp ph ng dng x lý mt s cht ụ nhim nc dng anion Cỏc kt qu c trng tớnh cht ca bựn thụ ch thnh phn khoỏng ch yu l gibsit, goetit v hematit, cỏc nguyờn t húa hc chớnh l Al, Fe, O, Na v Si, ngoi cú mt phn nh Ca, Ti, C, S Bựn cú kớch thc ht trung bỡnh l 10,5 m, din tớch b mt riờng 54,67 m2/g Bựn thụ cú pH rt cao (t 10,5 n 13), cú th trung hũa bng axit HCl, nc bin t nhiờn v thch cao ph thi (gypsum) Vi mc ớch chuyn húa bựn lm vt liu hp ph, phng phỏp trung hũa bng axit t thớch hp nht Bựn sau trung hũa c hot húa bng axit H2SO4 2M ti nhit 95oC, din tớch b mt riờng tng t 55 lờn 92 m2/g, kớch thc ht ca bựn gim ~13% Vic hot húa axit ó ci thin rừ rt hiu qu hp ph cỏc anion Cr(VI), F-, phosphat, cht mu dng anion , b mt bựn ó c proton húa Kt qu kho sỏt quỏ trỡnh hp ph cho thy: - Bựn hot húa axit (BA) hp ph Cr(VI) tt nht ti pH 5,6, ng hc hp ph tuõn theo phng trỡnh biu kin bc 2, thi gian t cõn bng nhanh (t0,99 khong 50 phỳt) Mụ hỡnh ng nhit hp ph Freundlich thớch hp hn mụ t quỏ trỡnh hp ph Cr(VI), dung lng hp ph cc i tớnh theo mụ hỡnh ng nhit Langmuir t 2,34 mg/g - iu kin hp ph F- trờn BA tt nht l: pH 6,8, lng cht hp ph 10 g/L, phng trỡnh ng hc biu kin bc thớch hp mụ t ng hc quỏ trỡnh hp ph Cỏc d liu thc nghim tuõn theo mụ hỡnh ng nhit Langmuir vi dung lng hp ph cc i t 9,40 mg/g Th nghim x lý nc nhim florua ly t Cụng ty CP Phõn lõn nung chy Vn in cho thy cú th gim nng F- t 312 mg/L xung cũn 7,8 mg/L (t tiờu chun nc thi cụng nghip loi B theo QCVN 40:2011/BTNMT) - Quỏ trỡnh hp ph mt s thuc nhum dng anion: vng Y-3GF, R-3BF, xanh B-MERF din thun li pH=5, lng BA l g/L, ng hc hp ph tuõn theo phng trỡnh biu kin bc 2, thi gian t bóo hũa tng lờn theo dóy vng