Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng sét kaolin để loại bỏ mangan trong nước dưới đất khu vực TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM KHOA ĐỊA CHẤT VÀ KHỐNG SẢN ĐỒN MAI TÂM NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG SÉT KAOLIN ĐỂ LOẠI BỎ MANGAN TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT KHU VỰC TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ ĐỊA CHẤT HỌC Mã ngành: 52440201 TP HỒ CHÍ MINH – 12/2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG TP.HCM KHOA ĐỊA CHẤT VÀ KHỐNG SẢN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG SÉT KAOLIN ĐỂ LOẠI BỎ MANGAN TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT KHU VỰC TP HCM Sinh viên thực hiện: Đoàn Mai Tâm Khóa: 2013 – 2017 Giảng viên hướng dẫn: ThS Từ Thị Cẩm Loan TP HỒ CHÍ MINH – 12/2017 MSSV: 0250100037 TRƯỜNG ĐH TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA ĐỊA CHẤT VÀ KHỐNG SẢN Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2017 NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa: ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN Bộ mơn: ĐỊA CHẤT MƠI TRƯỜNG Họ tên: ĐỒN MAI TÂM MSSV: 0250100037 Ngành: ĐỊA CHẤT HỌC Lớp: 02_DH_DCMT Tên đồ án: Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng sét kaolin để loại bỏ mangan nước đất khu vực TP HCM Nhiệm vụ: - Khảo sát yếu tố ảnh hưởng (khối lượng, thời gian pH) đến khả hấp phụ sét kaolin - Đánh giá khả hấp phụ sét kaolin để loại bỏ Mn2+ nước đất khu vực TP HCM Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 22/08/2017 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/12/2017 Họ tên người hướng dẫn: ThS Từ Thị Cẩm Loan Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nội dung yêu cầu thông qua môn Ngày tháng năm Chủ nhiệm môn (Ký ghi rõ họ tên) i LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hoàn thành đồ án này, em nhận hướng dẫn giúp đỡ quý báu thầy cô, anh chị bạn Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới thầy khoa Địa chất Khống Sản, phòng thí nghiệm Địa Chất – Khoa Địa chất Khoáng sản trường ĐH Tài nguyên Môi trường TP HCM tạo điều kiện cho em suốt trình học tập làm đồ án Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới cô Từ Thị Cẩm Loan, người trực tiếp giảng dạy, truyền đạt lại cho em kiến thức bổ trợ vô hữu ích tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Xin cảm ơn đề tài “Nghiên cứu sử dụng sét kaolin khu vực Đông Nam Bộ làm vật liệu hấp phụ xử lý ô nhiễm nước đất” cô Từ Thị Cẩm Loan hỗ trợ kinh phí tạo điều kiện tốt cho em trình làm đồ án tốt nghiệp Cuối em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè, người ln giúp đỡ, động viên khuyến khích em trình thực đề tài nghiên cứu TP HCM, ngày…tháng…năm 2017 Sinh viên Đồn Mai Tâm ii MỤC LỤC TỪ VIẾT TẮT .v DANH MỤC BẢNG .vi DANH MỤC HÌNH vii TÓM TẮT MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài 2 Mục tiêu ĐATN 3 Nội dung phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.2 Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 ĐẶC ĐIỂM, TÍCH CHẤT CỦA MANGAN 1.2.1 Tính chất mangan 1.2.2 Thế oxi hóa khử mangan 1.2.3 Ảnh hưởng mangan 1.3 SÉT KAOLIN .9 1.3.1 Đặc điểm cấu trúc hình thái sét kaolin 11 1.3.2 Tính chất sét kaolin 13 1.3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ sét kaolin 16 1.3.4 Ứng dụng sét kaolin .17 1.4 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ION Mn2+ 17 1.4.1 Khử mangan phương pháp hóa lý 17 1.4.2 Phương pháp hấp phụ 18 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 2.1 THU THẬP, THAM KHẢO TÀI LIỆU VÀ SỐ LIỆU .20 iii 2.2 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT – LẤY MẪU 20 2.2.1 Phương pháp khảo sát 20 2.2.2 Phương pháp lấy mẫu 20 2.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 21 2.4 MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 22 2.4.1 Chuẩn bị 22 2.4.2 Mô hình .23 2.4.3 Kiểm chứng khả loại bỏ ion Mn2+ sét kaolin mẫu thực tế 25 2.5 TỔNG HỢP XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ VIẾT BÁO CÁO .25 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THẢO LUẬN 26 3.1 KẾT QUẢ KHẢO SÁT MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 26 3.1.1 Ảnh hưởng khối lượng sét đến hiệu hấp phụ ionMn2+ sét kaolin .26 3.1.2 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ ion Mn2+ 28 3.1.3 Ảnh hưởng giá trị pH đến hiệu suất hấp phụ ion Mn2+ 29 3.2 KIỂM CHỨNG TRÊN MẪU THỰC TẾ 31 3.3 SO SÁNH VỚI BENTONIT 32 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 PHỤ LỤC iv TỪ VIẾT TẮT CEC Cation Exchange Capacity - Khả trao đổi cation ĐATN Đồ án tốt nghiệp ĐNB Đông Nam Bộ NDĐ Nước đất QA/QC Đảm bảo kiểm soát chất lượng QCVN Quy chuẩn Việt Nam SMEWW Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water – Phương pháp phân tích chuẩn mẫu nước nước thải TNHH KT - CB Trách nhiệm hữu hạn khai thác – chế biến TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Lượng mangan đưa vào thể qua nguồn theo ngày Bảng 1.2 Thành phần khoáng vật mỏ sét kaolin khu vực tỉnh Bình Phước 10 Bảng 1.3 Khả hấp phụ cation sét kaolin 10 Bảng 2.1 Nồng độ dãy chuẩn 21 Bảng 2.1 Khảo sát khối lượng sét tối ưu 24 Bảng 2.2 Khảo sát thời gian hấp phụ tối ưu 24 Bảng 2.3 Khảo sát pH tối ưu 25 Bảng 3.1 Hàm lượng ion Mn2+ biến đổi theo khối lượng sét .26 Bảng 3.2 Hàm lượng ion Mn2+ biến đổi theo thời gian hấp phụ 28 Bảng 3.3 Hàm lượng ion Mn2+ biến đổi theo pH 29 Bảng 3.4 Kết đo pH TDS mẫu nước giếng 31 Bảng 3.5 Kết phân tích thông số mẫu nước giếng 31 Bảng 3.6 So sánh hiệu loại bỏ ion Mn2+ sét kaolin Bentonit-H 33 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ oxi hóa khử mangan Hình 1.2 Sét kaolin .11 Hình 1.3 Cấu trúc đơn vị cấu tạo khoáng sét 11 Hình 1.4 Sự xếp lỗ sáu cạnh oxi đáy trọng mạng tứ diện 12 Hình 1.5 Cấu trúc mạng tinh thể kaolinit 13 Hình 1.6 Các vị trí trao đổi ion hạt kaolin 14 Hình 2.3 Phương trình đường chuẩn mangan 22 Hình 3.1 Ảnh hưởng khối lượng sét đến trình hấp phụ sét 27 Hình 3.2 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến khả hấp phụ 28 Hình 3.3 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ sét 30 vii TÓM TẮT Xã hội phát triển, người quan tâm đến chất lượng sống nước vấn đề ưu tiên quan tâm Hiện nay, khu vực TP HCM nói riêng nước nói chung chất lượng nước đất có dấu hiệu bị ô nhiễm ngày tăng Một số nhiễm ion Mn2+ nước đất Được biết, nồng thấp, ion Mn2+ nguyên tố vi lượng cần thiết cho người, nồng độ cao gây tác động đến sức khỏe Trong năm gần đây, nghiên cứu loại bỏ ion kim loại nặng nói chung ion Mn2+ nói riêng nước đất đề tài nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Hiện có nhiều phương pháp để loại bỏ ion kim loại nặng nước đất như: kết tủa hóa học, trao đổi ion, thẩm thấu, hấp phụ, Tuy nhiên, chưa có phương pháp thực mang lại hiệu xử lý giá thành Ngày nay, ứng dụng vật liệu hấp phụ tự nhiên để loại bỏ ion kim loại nặng đề tài nhiều nhà nghiên cứu hướng tới Trong đó, sét kaolin có khả đặc biệt hấp phụ trao đổi ion, loại bỏ chất ô nhiễm hữu vô Do đó, nghiên cứu ứng dụng sét kaolin để loại bỏ ion Mn2+ nước đất điều cần thiết Quá trình hấp phụ sét kaolin để loại bỏ ion Mn2+ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: giá trị pH, kích thước hạt sét, thời gian khuấy trộn, khối lượng sét kaolin, nồng độ ion kim loại nặng, nhiệt độ, Nhưng đề tài nghiên cứu khảo sát ba yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ sét kaolin khối lượng sét, thời gian hấp phụ giá trị pH Nồng độ ion Mn2+ mà đề tài nghiên cứu sử dụng để khảo sát yếu tố ảnh hưởng khoảng mg/l Điều kiện hấp phụ sét kaolin để loại bỏ ion Mn2+ đạt hiệu suất cao 86,94% là: khối lượng sét 0,6g 50ml dung dịch thí nghiệm, thời gian hấp phụ 90 phút, giá trị pH = 6,5 Từ kết cho thấy lượng ion Mn2+ hấp phụ sét kaolin tăng lên theo thời gian Tốc độ hấp phụ tăng nhanh 90 phút đầu tiên, đạt hiệu suất cao tlắc = 90 phút (84,90%) Sau đó, tốc độ hấp phụ giảm dần khoảng thời gian từ 90 – 120 phút, tlắc = 120 phút hiệu suất hấp phụ 83,67% Nguyên nhân trình hấp phụ trình thuận nghịch Các phần tử chất bị hấp phụ hấp phụ bề mặt chất hấp phụ di chuyển ngược lại pha mang Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ bề mặt chất rắn nhiều tốc độ di chuyển ngược lại pha mang lớn (Lê Văn Cát, 2002) Như vậy, chọn thời gian hấp phụ 90 phút làm thời gian hấp phụ tối ưu 3.1.3 Ảnh hưởng giá trị pH đến hiệu suất hấp phụ ion Mn2+ Hiệu hấp phụ ion Mn2+ sét kaolin khảo sát khoảng pH = 4,5 - 8, kết khảo sát trình bày bảng 3.3 hình 3.3 Bảng 3.3 Hàm lượng ion Mn2+ biến đổi theo pH STT pH Csau (mg/l) Hiệu suất (%) 4,5 3,05 37,86 2,49 49,08 1,42 71,02 6,5 0,64 86,94 0,54 88,98 7,5 0,34 93,47 0,43 91,22 Trong đó: Csau : Nồng độ ion Mn2+ đầu sau hấp phụ (mg/l) 29 100 93.47 90 Hiệu suất hấp phụ (%) 80 86.94 88.98 6.5 91.22 71.02 70 60 49.08 50 40 37.86 30 20 10 4.5 7.5 pH Hình 3.3 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ sét Hiệu suất hấp phụ ion Mn2+ tăng tăng giá trị pH từ 4,5 đến 7,5, đạt giá trị cực đại pH = 7,5 (93,47%) giảm pH = (91,22%) Trong đó, hiệu suất hấp phụ tăng nhẹ từ 37,86 – 49,08% giá trị pH thấp (pH= 4,5 – 5), tăng nhanh (49,08 – 86,94%) giá trị pH = – 6,5 tiếp tục tăng (86,94 - 93,47) giá trị pH = 6,5 – 7,5 Đây q trình hấp phụ phụ thuộc vào pH Ở giá trị pH = 4,5 - 5, ion H+ cạnh tranh mạnh với vị trí trống cấu trúc sét dẫn đến hiệu suất hấp phụ ion Mn2+ thấp Ở giá trị pH = – 7,5, ion H+ dung dịch giảm, làm giảm cạnh tranh ion với vị trí trống cấu trúc sét dẫn đến hiệu suất hấp phụ ion Mn2+ tăng Ở giá trị pH = (môi trường kiềm cao), xảy tượng kết tủa hydroxit mangan, cation dung dịch trao đổi với ion cấu trúc sét kaolin dẫn đến hấp phụ ion Mn2+ giảm (Hassouna MEM, 2014) Từ hình 3.3 cho thấy giá trị pH = 6,5 – 7,5, hiệu suất hấp phụ cao từ 86,94 – 91,22% Như pH = 6,5 – 7,5 khoảng pH tối ưu cho hiệu suất hấp phụ ion Mn2+ Tuy nhiên, theo báo cáo nghiên cứu khoa học khảo sát, phân tích hàm lượng kim loại nặng NDĐ tầng Pleistocen khu vực TP HCM pH NDĐ khu vực TP HCM 30 dao động từ 4,3 – 6,5 Do đó, nghiên cứu chọn giá trị pH = 6,5 giá trị pH tối ưu 3.2 KIỂM CHỨNG TRÊN MẪU THỰC TẾ Từ kết nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng (khối lượng sét, thời gian hấp phụ pH) đến khả hấp phụ sét kaolin, đề tài tiến hành lấy mẫu nước giếng ô nhiễm ion Mn2+ huyện Bình Chánh để kiểm chứng hiệu hấp phụ mẫu thực tế Mẫu nước lấy đường 4C, thuộc xã Đa Phước, huyện Bình Chánh Thời gian lấy vào lúc sáng 7:30, nước có mùi hơi, độ sâu giếng 200m, cách nghĩa trang Đa Phước 2km, xung quanh ruộng lúa kênh mương Dưới kết phân tích thơng số vật lý hóa học mẫu nước giếng đươc lấy huyện Bình Chánh, TP HCM trước sau cho sét vào hấp phụ Bảng 3.4 Kết đo pH TDS mẫu nước giếng Thơng số Mẫu khơng qua sét Mẫu có qua sét pH 6,33 5,85 TDS 294,33 253,67 Bảng 3.5 Kết phân tích thơng số mẫu nước giếng Thơng số Cđầu (mg/l) Csau (mg/l) (mgdl/l) đầu (mgdl/l) sau Hiệu suất (%) Ca2+ 7,78 6,73 0,39 0,34 12,40 Mg2+ 31,50 29,36 2,62 2,45 6,99 FeTC 75 19,67 4,02 1,05 73,78 Mn2+ 1,99 1,5 0,07 0,05 24,75 Trong đó: Cđầu : Nồng độ mẫu thực không qua sét hấp phụ Csau : Nồng độ mẫu thực sau qua sét hấp phụ 31 Nhìn chung từ kết phân tích bảng 3.5 cho thấy nồng độ ion dung dịch trước sau hấp phụ sét kaolin thay đổi Đối với ion Ca2+ Mg2+ khơng có thay đổi nhiều, FeTC nồng độ sắt trước sau có thay đổi lớn, hiệu suất hấp phụ sắt sét kaolin cao chiếm 73,78% ion Mn2+ nồng độ trước sau hấp phụ có thay đổi không nhiều, hiệu suất hấp phụ 24,75%, thấp so với kết khảo sát mơ hình thực nghiệm Tuy nhiên, hiệu loại bỏ tổng cation sét kaolin cao đạt 3,21 mgdl/l Như vậy, mẫu nước giếng phân tích khơng bị nhiễm ion Mn2+ mà có nhiễm FeTC Trong môi trường nước, tương tác sét kaolin ion kim loại nặng phức tạp Do có mặt ion sắt nước dẫn đến hấp phụ cạnh tranh ion với Các ion có điện tích cao có khả hấp phụ tốt nhiều so với ion có điện tích thấp Ngồi nghiên cứu Kamel (2004) có đề cập đến, khoảng thời nhau, độ hấp phụ cho hiệu tốt Fe Mn tương đương, lực sét kaolin để hấp phụ ion kim loại ưu tiên theo thứ tự sau: Cu2+ > Fe 3+ > Pb2+ = Mn2+ > Zn2+ Điều này, giải thích hiệu suất loại bỏ ion Mn2+ mẫu nước giếng lại thấp so với kết khảo sát mơ hình thực nghiệm Từ bảng 3.6 cho thấy hiệu loại bỏ ion Mn2+ mẫu thực tế thấp so với kết khảo sát mơ hình Để khắc phục ta tăng khối lượng sét ứng với mẫu có chứa nhiều cation để tăng hiệu loại bỏ ion Mn2+ 3.3 SO SÁNH VỚI BENTONIT Sét bentonit khống sét có cấu trúc lớp khả trao đổi cation bentonit cao Thực tế, có nhiều nghiên cứu ứng dụng bentonit để loại bỏ ion kim loại nặng nước cho hiệu tốt Tuy nhiên, giá thành sét bentonit cao so với sét kaolin Vì vậy, chọn sét bentonit để so sánh hiệu loại bỏ ion kim loại nặng Đề tài chọn sét bentonit Thuận Hải sau biến tính axit HCl 5% để so sánh hiệu loại bỏ ion Mn2+ So sánh hiệu hấp phụ ion Mn2+ sét kaolin với sét bentonit-H sau quy nồng độ đầu vào (Cđầu vào = 23,26 mg/l): 32 Bảng 3.6 So sánh hiệu loại bỏ Mn2+ sét kaolin Bentonit-H Sét kaolin Sét bentonit-H Khối lượng sét (g) 2,85 mMn2+/msét (mg/g) 0,36 0,69 64,61 33,71 64,61 33,71 5.000 15.000 323.050 505.650 Lượng sét cần dùng để loại hàm lượng ion Mn2+ đầu vào 1L nước (g) Lượng sét cần dùng để loại hàm lượng ion Mn2+ đầu vào 1m3 nước (kg) Giá thành (VNĐ/Kg sét) Số tiền cần chi trả để loại bỏ hàm lượng ion Mn2+ đầu vào 1m3 Từ bảng 3.7 cho thấy sét bentonit-H cho hiệu hấp phụ ion Mn2+ cao so với sét kaolin Nhưng giá thành sét bentonit lại cao gấp lần so với kaolin Như vậy, để đạt hiệu loại bỏ ion Mn2+ cao phải nhiều chi phí Trong đó, sét kaolin vùng ĐNB có giá thành rẻ so với bentonit, ứng dụng sét kaolin để loại bỏ ion Mn2+ NDĐ khu vực TP HCM tiết kiệm nhiều chi phí * Ưu – Nhược điểm: So sánh sử dụng sét kaolin để loại bỏ ion Mn2+ NDĐ so với với sét Bentonit có số ưu nhược điểm; - Ưu điểm: + Sét kaolin có giá thành thấp so với sét Bentonit Thuận Hải +Sét kaolin vật liệu hấp phụ tự nhiên có sẵn vùng Đơng Nam Bộ, khơng thời gian, kinh phí vận chuyển tạo thị trường tiêu thụ sét kaolin - Nhược điểm: + Hiệu loại bỏ ion Mn2+ sử dụng sét kaolin thấp so với sét Bentonit Thuận Hải 33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN: Hiệu suất hấp phụ ion Mn2+ sét kaolin đạt hiệu suất cao 86,9% (phòng thí nghiệm) điều kiện cụ thể sau: Khối lượng sét tối ưu 0,6g/50ml Thời gian hấp phụ tối ưu 90 phút pH tối ưu 6,5 Do mẫu thực tế ngồi ion Mn2+ tồn nhiều ion khác Vì vậy, q trình hấp phụ có cạnh tranh hấp phụ ion Dẫn đến hiệu loại bỏ ion Mn2+ sét kaolin mẫu thực tế thấp so với mơ hình khảo sát Đây hạn chế đề tài Về mặt giá thành khả loại bỏ ion Mn2+ 1m3 sét kaolin rẻ so với sét bentonit Thuận Hải sau biến tính HCl có nồng độ 5% Nhìn chung, kết khảo sát cho thấy sử dụng sét kaolin để loại bỏ ion Mn2+ NDĐ khu vực TP HCM mang lại hiệu khả quan Với nguồn nguyên liệu tự nhiên, sẵn có thân thiện với mơi trường KIẾN NGHỊ: Do kích thước hạt sét kaolin nhỏ (