Nghiên cứu biến tính bentonit tự nhiên, ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý NH4 và PO43 trong môi trường nước

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BENTONIT TỰ NHIÊN, ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ XỬ LÝ NH4+ VÀ PO43TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG TRƢƠNG QUỐC ANH HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BENTONIT TỰ NHIÊN, ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ XỬ LÝ NH4+ VÀ PO43TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC TRƢƠNG QUỐC ANH CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG MÃ SỐ: 8440301 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS MAI VĂN TIẾN HÀ NỘI, NĂM 2019 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Cán hƣớng dẫn chính: TS Mai Văn Tiến – Giảng viên khoa Môi trƣờng, trƣờng Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội Cán chấm phản biện 1: TS Nguyễn Thu Huyền – Giảng viên khoa Môi trƣờng, trƣờng Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội Cán chấm phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng – Giảng viên trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Ngày 17 tháng 01 năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thành thân suốt trình nghiên cứu đề tài vừa qua Những kết thực nghiệm đƣợc trình bày luận văn trung thực cộng thực dƣới hƣớng dẫn TS Mai Văn Tiến - Giảng viên khoa Môi trƣờng, trƣờng Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội Các kết nêu luận văn chƣa đƣợc công bố cơng trình nhóm nghiên cứu khác Tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung trình bày báo cáo TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trƣơng Quốc Anh i LỜI CẢM ƠN Lời với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc nhất, xin gửi lời cảm ơn tới TS Mai Văn Tiến, Giảng viên khoa Môi trƣờng, trƣờng Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội – ngƣời hƣớng dẫn, tận tình bảo tơi thực thành công luận văn thạc sỹ Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo khoa Môi trƣờng thầy phòng Phân tích khoa Mơi trƣờng - trƣờng Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội hết lòng ủng hộ, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ suốt thời gian thực luận văn Xin cảm ơn phòng phân tích Viện Vật lý Trƣờng Đại học Khoa Học Tự nhiên, phòng phân tích khoa Hóa Đại học Sƣ phạm Hà Nội, Viện vật liệu giúp đỡ thiết bị máy móc sử dụng Xin cảm ơn bạn học viên, sinh viên thực đề tài chia sẻ khó khăn tơi hồn thành phần việc đề tài nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, ngƣời thân bạn bè ln mong muốn tơi hồn thành tốt luận văn Trong q trình thực luận văn dù cố gắng nhƣng khơng thể tránh khỏi thiết sót, em mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến quý Hội đồng, quý thầy cô bạn để luận văn em đƣợc hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 03 tháng 12 năm 2018 Học viên Trƣơng Quốc Anh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận văn Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu 1.1 Giới thiệu bentonit bentonit biến tính 1.1.1 Thành phần khống thành phần hóa học bentonit 1.1.2 Cấu trúc montmorillonit 1.1.3 Vật liệu bentonit biến tính 1.2 Tính chất bentonit 1.3 Bentonit tự nhiên Việt Nam 11 1.4 Hấp phụ trao đổi ion vật liệu 12 1.4.1 Hấp phụ 12 1.4.2 Đặc điểm, phân loại tính chất số vật liệu hấp phụ 19 1.4.3 Trao đổi ion 21 1.5 Ứng dụng vật liệu Bentonit 24 1.6 Hiện tƣợng ô nhiễm amoni, phốt phát phƣơng pháp xử lý 25 1.6.1 Ô nhiễm amoni, phốt phát 25 1.6.2 Các phƣơng pháp xử lý amoni 27 1.6.3 Các phƣơng pháp xử lý phốt phát 28 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 29 2.2 Nguyên liệu, hóa chất dụng cụ thiết bị nghiên cứu 29 2.2.1 Hóa chất sử dụng: 29 2.2.2 Thiết bị, dụng cụ: 29 2.3 Tổng hợp biến tính vật liệu hấp phụ từ Bentonit tự nhiên 30 2.3.1 Tinh chế Bentonit Cổ Định 30 2.3.2 Biến tính tổng hợp vật liệu Fe-bentonit 30 2.3.3 Biến tính tổng hợp vật liệu MnFe-bentonit 31 2.4 Khảo sát ảnh hƣởng điều kiện phản ứng đến trình tổng hợp biến tính vật liệu bentonit 32 2.4.1 Ảnh hƣởng thời gian siêu âm tới trình tinh chế vật liệu bentonit 32 2.4.2 Ảnh hƣởng tốc độ ly tâm 32 2.4.3 Ảnh hƣởng tỷ lệ OH-/Fe3+ tới tính chất vật liệu Fe-bentonit 32 2.4.4 Ảnh hƣởng tỷ lệ Mn2+/Fe3+ tới tính chất vật liệu MnFe-bentonit 32 2.5 Các phƣơng pháp phân tích đặc trƣng cấu trúc tính chất vật liệu 33 2.5.1 Phƣơng pháp phân tích Phổ hồng ngoại IR 33 2.5.2 Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng ( phƣơng pháp đo BET) 33 2.5.3 X-Ray 35 2.5.4 Phổ tán sắc lƣợng tia X (EDX) 36 iii 2.6 Khảo sát đánh giá khả hấp phụ NH4+ PO43- nƣớc vật liệu MMT, Fe-bentonit MnFe-bentonit 38 2.6.1 Xác định điểm đẳng điện vật liệu 38 2.6.2 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian 38 2.6.3 Khảo sát ảnh hƣởng pH 39 2.6.4 Xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại vật liệu 39 2.7 Mơ hình động học hấp phụ 40 2.7.1 Đánh giá ảnh hƣởng lƣu lƣợng tốc độ dòng chảy 41 2.7.2 Đánh giá ảnh hƣởng nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ 41 2.8 Phân tích xác định nồng độ amoni nƣớc phƣơng pháp trắc quang ( 4500 NH3 –F, SMWW, 1999) 42 2.9 Phân tích xác định PO43- nƣớc nƣớc phƣơng pháp trắc quang (theo TCVN 6202 – 2008) 42 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .43 3.1 Kết nghiên cứu tinh chế tổng hợp vật liệu bentonit (MMT) 43 3.1.1 Ảnh hƣởng thời gian siêu âm tới trình tinh chế tổng hợp MMT 43 3.1.2 Ảnh hƣởng tốc độ ly tâm tới trình tinh chế tổng hợp MMT 44 3.2 Ảnh hƣởng tỷ lệ OH-/Fe3+ tới trình biến tính tính chất vật liệu Febentonit 44 3.3 Ảnh hƣởng tỷ lệ Mn2+/Fe3+ tới tính chất vật liệu MnFe-bentonit 46 3.4 Phân tích đặc trƣng cấu trúc tính chất vật liệu 47 3.4.1 Kết phân tích đặc trƣng nhóm chức phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR 47 3.4.2 Kết phân tích tia X (X-Ray) vật liệu 50 3.4.3 Kết phân tích phổ tán sắc lƣợng tia X (EDX) 51 3.4.4 Kết phân tích xác định diện tích bề mặt riêng ( phƣơng pháp đo BET) 53 3.5 Đánh giá khả hấp phụ vật liệu, ứng dụng để xử lý NH4+ PO43- nƣớc 56 3.5.1 Xác định điểm đẳng điện MMT, Fe-bentint MnFe-bentonit 56 3.5.2 Ảnh hƣởng thời gian tới khả hấp phụ 57 3.5.3 Kết ảnh hƣởng pH tới dung lƣợng hấp phụ vật liệu 59 3.5.4 Xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại vật liệu 62 3.6 Khảo sát mơ hình hấp phụ động 64 3.6.1 Kết ảnh hƣởng tốc độ dòng chảy tới hiệu qủa xử lý cột 64 3.6.2 Kết ảnh hƣởng nồng độ đầu vào tới hiệu qủa xử lý cột 66 3.7 Đánh giá khả tái sử dụng vật liệu 67 3.8 Kết thử nghiệm hiệu xử lý NH4+ PO43- mẫu nƣớc thải sinh hoạt thực tế 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 Kết luận 70 Kiến nghị 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Ký hiệu tên mẫu Fe-bentonit tổng hợp điều kiện thƣờng 32 Bảng 2.2 Ảnh hƣởng tỷ lệ Mn2+/Fe3+ tới tính chất vật liệu MnFe-Bentonit 33 Bảng 2.3 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian đến hiệu xử lý vật liệu 39 Bảng 2.4 Khảo sát ảnh hƣởng pH đến hiệu xử lý vật liệu 39 Bảng 2.5 Xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại 40 Bảng 3.1 Khối lƣợng vật liệu thu đƣợc khoảng thời gian siêu âm khác 43 Bảng 3.2 Khối lƣợng vật liệu MMT thu đƣợc ứng với tốc độ ly tâm khác 44 Bảng 3.3 Ảnh hƣởng tỉ lệ OH-/Fe3+ tới q trình biến tính chất vật liệu FeBentonit 45 Bảng 3.5 So sánh thành phần hóa học mẫu quặng bentonit Cổ Định (BENT-CĐ), mẫu vật liệu MMT vật liệu FeB, MnFeB 52 Bảng 3.6 Kết phân tích xác định bề mặt riêng phân bố kích thƣớc lỗ xốp theo BET vật liệu MMT vật liệu biến tính Fe-bentonit 55 Bảng 3.7 Giá trị pH dung dịch hấp thụ khoảng pH khác 56 Bảng 3.8 Ảnh hƣởng thời gian đến khả hấp phụ NH4+ vật liệu 57 Bảng 3.9 Ảnh hƣởng thời gian đến khả hấp phụ PO43- vật liệu 59 Bảng 3.10 Ảnh hƣởng pH đến khả hấp phụ NH4+ Fe-bentonit 60 Bảng 3.11 Ảnh hƣởng pH đến khả hấp phụ NH4+ Fe-bentonit 61 Bảng 3.12 Kết khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại vật liệu Fe –Bentonit ion NH4+ 62 Bảng 3.13 Kết khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại vật liệu MnFe –bentonit ion PO43- 63 Bảng 3.14: Kết phân tích nồng độ NH4+và PO43- mẫu nƣớc thải sinh hoạt 69 Bảng 3.10: Kết thử nghiệm xử lý NH4+ PO43- môi trƣờng thực tế 69 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Đơn vị tinh thể montmorillonit .5 Hình 1.2 Cấu trúc lớp :1 MMT .5 Hình 1.3 Trạng thái phân li bentonit dung dịch .9 Hình 1.4 Đồ thị xác định hệ số b Qmax .16 Hình 1.5 Đƣờng hấp phụ Langmuir phụ thuộc Cf/q vào Cf 18 Hình 1.6 Hiện tƣợng ao hồ thủy vực bị ô nhiễm phú dƣỡng 26 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình biến tính tổng hợp vật liệu Fe –bentonit 30 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình biến tính tổng hợp vật liệu MnFe –bentonit 31 Hình 2.3 Các dạng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ .35 Hình 2.4 Đồ thị xác định hệ số b Qmax .40 Hình 2.5 Mơ hình cột hấp phụ động .41 Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng tỉ lệ OH-/Fe3+biến tính đến dung lƣợng hấp phụ NH4+ vật liệu Fe-Bentonit 46 Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng tỉ lệ Mn2+/Fe3+ đến dung lƣợng hấp phụ PO43- vật liệu MnFe-Bentonit 47 Hình 3.3 Kết phân tích IR vật liêu bentonit tinh chế (MMT) 48 Hình 3.4 Kết phân tích IR vật liêu biến tính Fe- bentonit .48 Hình 3.5 Kết phân tích IR vật liêu biến tính MnFe- bentonit 49 Hình 3.6 Kết phân tích X-Ray vật liệu tinh chế MMT 50 Hình 3.7 Kết phân tích X-Ray vật liệu biến tính 0,8Fe-bentonit 50 Hình 3.8 Kết phân tích X-Ray vật liệu biến tính MnFe-bentonit 50 Hình 3.9 Kết phân tích EDX mẫu quặng bentonit 51 Hình 3.10 Kết phân tích EDX vật liệu tinh chế MMT 51 Hình 3.11 Kết phân tích EDX vật liệu biến tính Fe-bentonit 52 Hình 3.12 Kết phân tích EDX vật liệu biến tính MnFe-bentonit 52 vi Hình 3.13 Đồ thị xác định diện tích bề mặt theo BET vật liệu MMT 53 Hình 3.14 Đồ thị xác định diện tích bề mặt theo BET vật liệu Fe-bentonit 53 Hình 3.15 Đồ thị xác định diện tích bề mặt theo BET vật liệu MnFe-bentonit 54 Hình 3.16 Sự phân bố kích thƣớc lỗ xốp vật liệu MMTntonit theo BJH 54 Hình 3.17 Sự phân bố kích thƣớc lỗ xốp vật liệu biến tính Fe-bentonit theo BJH54 Hình 3.18 Sự phân bố kích thƣớc lỗ xốp vật liệu biến tính MnFe-bentonit theo BJH 55 Hình 3.19 Đồ thị xác định điểm đẳng điện MMT, Fe-Bentint MnFe-Bentonit 57 Hình 3.20 Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng pH đến khả hấp phụ NH4+ Febentonit 60 Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng pH đến khả hấp phụ PO43- MnFe-bentonit .61 Hình 3.22 Đồ thị biểu diễn kết khảo sát xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại vật liệu Fe-bentonit NH4+ 63 Hình 3.23 Đồ thị biểu diễn kết khảo sát xác định dung lƣợng hấp phụ cực đại vật liệu MnFe-bentonit PO43- 64 Hình 3.24 Đồ thị xác định nồng độ NH4+ thoát sau trình hấp phụ tốc độ lƣu lƣợng Q=1ml/phút; Q=2ml/phút 65 Hình 3.25 Đồ thị xác định nồng độ PO43- sau q trình hấp phụ tốc độ lƣu lƣợng Q=1ml/phút; Q=2ml/phút 66 Hình 3.26: Đồ thị xác định nồng độ NH4+ PO43- thoát sau trình hấp phụ nồng độ ban đầu Co = 50ppm Co = 100ppm 67 Hình 3.27 Đồ thị thể kết thử nghiệm tái sử dụng lại vật liệu Fe-bentonit MnFe-bentonit 68 vii b Kết phân tích EDX c Kết Đo IR d Kết chụp X-Ray Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - MMT 1000 900 800 700 Lin (Cps) 600 500 400 300 200 100 1.5 2-Theta - Scale File: AnhMT MMT.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.500 ° - End: 10.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.7 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 1.500 ° - Theta: 0.750 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 m 10 Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - MMT-Fe 1000 900 800 700 Lin (Cps) 600 500 400 300 200 100 1.5 10 2-Theta - Scale File: AnhMT MMT-Fe.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.500 ° - End: 10.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.7 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 1.500 ° - Theta: 0.750 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - MMT-FeMn 1000 900 800 700 Lin (Cps) 600 500 400 300 200 100 1.5 2-Theta - Scale File: AnhMT MMT-FeMn.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.500 ° - End: 10.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.7 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 1.500 ° - Theta: 0.750 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 10 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG I Sơ lƣợc lý lịch: Họ tên: TRƢƠNG QUỐC ANH Giới tính: Nam Ngày tháng năm sinh: 02/6/1991 Nơi sinh: phƣờng Mai Dịch, quận Cầu Giấy, thành phố Hà Nội Địa liên lạc: số 3, ngách 58/23, phố Trần Bình, phƣờng Mai Dịch, quận Cầu Giấy, thành phố Hà Nội Điện thoại di động: 0978994383 II Quá trình đào tạo: Cao đẳng: - Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: Từ tháng 8/2009 đến tháng 10/2012 - Trƣờng đào tạo: Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội - Ngành học: Kỹ thuật môi trƣờng Bằng tốt nghiệp đạt loại: Khá Đại học: - Hệ đào tạo: Vừa học vừa làm Thời gian đào tạo: Từ tháng 12/2013 đến tháng 9/2015 - Trƣờng đào tạo: Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội - Ngành học: Công nghệ kỹ thuật môi trƣờng Bằng tốt nghiệp đạt loại: Khá Thạc sĩ: - Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ tháng 3/2016 đến tháng 8/2018 - Chuyên ngành học: Khoa học môi trƣờng - Tên luận văn:“Nghiên cứu biến tính Bentonit tự nhiên, ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý NH4+ PO43- môi trường nước” - Ngƣời hƣớng dẫn Khoa học: TS Mai Văn Tiến Trình độ ngoại ngữ: B1 III Q trình cơng tác chun mơn kể từ tốt nghiệp đại học: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhận 01/5/2014 đến UBND phƣờng Phƣơng Canh Nhân viên quản lý mơi trƣờng IV Các cơng trình khoa học công bố: Một phần kết luận văn với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ từ bentonit Cổ Định - Thanh Hóa, ứng dụng xử lý Amoni nước” đƣợc đăng Tạp chí xúc tác hấp phụ (ISSN 0866 – 7411) số kỳ 2/2018 trang (116-121) Tôi cam đoan nội dung viết thật Ngày 03 tháng 12 năm 2018 NGƢỜI KHAI KÝ TÊN Trƣơng Quốc Anh XÁC NHẬN QUYỂN LUẬN VĂN ĐỦ ĐIỆU KIỆN NỘP LƢU CHIỂU CHỦ NHIỆM KHOA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN PGS.TS LÊ THỊ TRINH TS MAI VĂN TIẾN ... vật liệu hấp phụ Vật liệu hấp phụ đƣợc chia làm hai loại: vật liệu hấp phụ có cực vật liệu hấp phụ không cực Vật liệu hấp phụ có cực: bề mặt vật liệu xảy q trình hấp phụ hóa học nhƣng khơng làm. .. nghiên cứu biến tính Bentonit cách có hệ thống ứng dụng hiệu loại vật liệu hấp phụ hạn chế Xuất phát từ lý trên, lựa chọn đề tài Nghiên cứu biến tính Bentonit tự nhiên, ứng dụng làm vật liệu hấp phụ. .. TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BENTONIT TỰ NHIÊN, ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ XỬ LÝ NH4+ VÀ PO4 3TRONG MÔI TRƢỜNG