Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa vật liệu khoáng sét bentonit tới đặc trưng của vật liệu và khả năng hấp phụ chất phóng xạ U, và kim loại nặng Fe, Mn lên vật liệu.
NGHIÊN CỨU CHẾ Độ HOạT HóA BENTONIT BằNG NHIỆT LÀm VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẤT PHóNG Xạ Nguyễn Thúy Lan Đinh Văn Tơn Thân Văn Liên2 TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ hoạt hóa vật liệu khống sét bentonit tới đặc trưng vật liệu khả hấp phụ chất phóng xạ U, Th kim loại nặng Fe, Mn lên vật liệu Kết cho thấy, chế độ hoạt hóa nhiệt dao động khoảng 500oC thời gian vật liệu vừa hấp phụ có hiệu nguyên tố phóng xạ kim loại nặng, vừa đảm bảo tính kinh tế vật liệu đưa vào sản xuất quy mô công nghiệp Từ khóa: Hoạt hóa nhiệt, Phóng xạ, Vật liệu hấp phụ, Bentonit Mở đầu Vật liệu hấp phụ dùng để xử lý nước thải cơng nghiệp nói chung nước thải chứa phóng xạ nói riêng đòi hỏi cần phải có dung lượng trao đổi ion lớn có độ bền môi trường nước Đối với vật liệu hấp phụ chế tạo khoáng sét bentonit có tính chất trương nở mạnh khả tạo huyền phù bền dễ tan nước nên cần phải nghiên cứu chế độ hoạt hóa bentonit phương pháp nhiệt để thu nhận vật liệu vừa có khả hấp phụ nguyên tố phóng xạ kim loại nặng có hiệu vừa có độ bền cao mơi trường nước Q trình hoạt hóa tác nhân nhiệt khoáng sét bentonit q trình xử lý vật lý vật liệu nung nhiệt độ cao Đối với loại vật liệu khoáng sét, biến đổi cấu trúc thành phần chúng hoạt hóa nhiệt độ khác Hơn q trình hoạt hóa nhiệt giúp loại bỏ tạp chất nước kèm theo khoáng sét Trong giai đoạn làm nước, chất hấp phụ nước với tạp chất loại bỏ khỏi khoáng sét Kết làm giảm trọng lượng tăng diện tích bề mặt khống sét, cung cấp nhiều vị trí cho hấp phụ từ làm tăng khả hấp phụ khống sét Tiếp tục tăng nhiệt độ hoạt hóa dẫn đến việc tách nhóm hydroxit (OH) Tuy nhiên tiếp tục tăng nhiệt độ nung phá cấu trúc vật liệu khoáng sét làm giảm diện tích bề mặt vật liệu Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ hoạt hóa vật liệu khống sét bentonit tới đặc trưng vật liệu khả hấp phụ chất phóng xạ U, Th kim loại nặng Fe, Mn lên vật liệu, từ lựa chọn chế độ nhiệt tối ưu để chế tạo vật liệu hấp phụ có tính cạnh tranh thị trường mặt kinh tế hiệu xử lý môi trường Phương pháp nghiên cứu 2.1 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng chế độ hoạt hóa nhiệt tới đặc trưng vật liệu hấp phụ Sử dụng vật liệu khoáng sét bentonit vùng Bình Thuận làm giàu tới hàm lượng montmorillonit 70% để nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ chất phóng xạ kim loại nặng Vật liệu khoáng sét bentonit sử dụng nghiên cứu có kích thước 1-2 mm Kết phân tích thành phần hóa học vật liệu trình bày Bảng Bảng Thành phần hóa học (%) khoáng sét bentonit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O MKN 57,08 13,67 3,15 2,18 2,09 2,34 1,04 17,18 Tiến hành thí nghiệm Cho 20g vật liệu khống sét bentonit vào chén nung gốm, cho chén nung vật liệu vào lò nung Tiến hành nung vật liệu giá trị nhiệt độ 100, 200, 300, 400, 500 6000C khoảng thời gian Khi đạt thời gian nung, lấy vật liệu khỏi lò nung làm nguội khoảng 2-3 cất bình kín để phục vụ nghiên cứu 2.2 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ hoạt hóa tới khả hấp phụ vật liệu Để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ hoạt hóa Viện Khoa học Cơng nghệ Mỏ - Luyện kim, Bộ Công Thương Viện Công nghệ Xạ hiếm, Bộ Khoa học Công nghệ 66 Chuyên đề số II, tháng năm 2016 (1) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ (nung) tới khả hấp phụ kim loại vật liệu, tiến hành làm thí nghiệm khả hấp phụ nguyên tố phóng xạ U, Th kim loại nặng Fe, Mn lên vật liệu nung nhiệt độ 100, 200, 300, 400, 500 600oC Tiến hành thí nghiệm Pha dung dịch U, Th, Fe Mn nồng độ 4,0 g/L Lấy 100 mL dung dịch mẫu cho vào bình hình nón 250 mL Cho vào bình g vật liệu bentonit nung chế độ nhiệt khác lắc máy lắc với tốc độ 140 vòng/phút tới đạt bão hòa (sau khoảng 3,5 giờ) Sau lọc dung dịch giấy lọc phễu thuỷ tinh Phần dung dịch sau lọc đưa phân tích hàm lượng U, Th, Fe, Mn phương pháp ICP-MS phương pháp đo quang Phương pháp tính dung lượng hấp phụ: Lượng ion kim loại hấp phụ vật liệu xác định từ chênh lệch nồng độ ion kim loại trước sau hấp phụ Dung lượng hấp phụ tính theo cơng thức: A = [(Co – C).V]/m Trong đó: A: dung lượng hấp phụ vật liệu; Co: nồng độ ion kim loại dung dịch ban đầu; C: nồng độ ion kim loại cân thiết lập; V: thể tích dung dịch kim loại; m: khối lượng vật liệu dùng để hấp phụ Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng chế độ hoạt hóa nhiệt tới đặc điểm vật liệu hấp phụ Kết nghiên cứu ảnh hưởng chế độ nhiệt độ hoạt hóa tới đặc điển vật liệu khống sét bentonit diện tích bề mặt kích thước lỗ xốp vật liệu trình bày Bảng Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ nung tới diện tích bề mặt kích thước lỗ xốp vật liệu hấp phụ Nhiệt độ nung,0C 100 200 300 400 500 600 Diện tích bề mặt theo phương pháp BET, m2/g 57,8 60,6 61,8 63,5 73,4 89,2 80,3 Kích thước lỗ xốp, A0 42,2 47,4 46,0 45,8 45,4 51,8 51,3 Kết diện tích bề mặt kích thước lỗ xốp vật liệu có nhiệt độ nung khác giải thích sau: Tại thời điểm đầu nhiệt độ nung lên đến 4000C, kích thước lỗ xốp vật liệu giảm loại bỏ nước hấp phụ hình thành lỗ xốp có kích thước trung (kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng khoảng nm 50 nm) nhỏ (bán kính hiệu dụng 50 nm) làm tăng kích thước trung bình lỗ xốp Ngồi ra, nhiệt độ nung vật liệu thay đổi, đặc tính lý vật liệu thay đổi Vật liệu hấp phụ nung nhiệt độ 4000C có khối lượng thể tích 452 kg/m3, cường độ kháng nén 35,3 kg/cm2, tăng 1,8 lần so với điều kiện tự nhiên (ở nhiệt độ 0oC) (Bảng 3) Khi nung đến nhiệt độ 6000C, khối lượng thể tích khơng thay đổi nhiều (đạt 537 kg/m3) cường độ kháng nén tăng đáng kể (đạt 98,5 kg/cm2) Vì vùng nhiệt độ nung 400-6000 C vùng nhiệt độ thích hợp để gia công chế tạo vật liệu hấp phụ vật liệu khoáng sét bentonit Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ nung tới đặc điểm lý vật liệu hấp phụ Nhiệt độ nung, oC 400 600 Khối lượng thể tích, kg/m3 243 452 537 Cường độ kháng nén, kg/cm2 18,5 35,3 98,5 Bảng Đặc tính lý vật liệu hấp phụ sau nung nhiệt độ 500-600oC Khối lượng Nhiệt độ Độ bền Độ hút thể tích vun nung, oC nén, Mpa nước, % đống, kg/m3 500-600 300 - 400 1,8-2,3 22 Như vậy, chia q trình nung vật liệu thành ba giai đoạn sau: + Giai đoạn 1: t = 35 phút, nâng nhiệt đến 4000C Đây q trình nước vật lý hố học + Giai đoạn 2: t = 15 phút, nâng nhanh nhiệt độ từ 4000 đến 6000C Q trình hố lý diễn mạnh + Giai đoạn 3: t = 70 phút, giai đoạn giữ vật liệu nung nhiệt độ 5500C đến 6000C Bảng trình bày đặc điểm vật liệu hấp phụ nung khoảng nhiệt độ (500-600oC) thời gian 120 phút Kết cho thấy, dải nhiệt độ nung đảm bảo cho vật liệu bền môi trường nước 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ hoạt hóa tới khả hấp phụ nguyên tố phóng xạ kim loại nặng Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ nung khoảng nhiệt: 100, 200, 300, 400, 500 600oC tới khả hấp phụ nguyên tố phóng xạ U, Th Fe, Mn lên vật liệu trình bày Hình Chuyên đề số II, tháng năm 2016 67 tăng nhiệt độ nung làm cho chi phí sản xuất vật liệu hấp phụ tăng, cần lựa chọn nhiệt độ phù hợp xét góc độ tính kinh tế khả hấp phụ kim loại vật liệu - Khối lượng kim loại hấp phụ vùng diện tích lớn lớn có số lượng lỗ rỗng cao Khi diện tích bề mặt riêng bắt đầu giảm sau 100oC, khối lượng kim loại hấp phụ đơn vị diện tích bắt đầu tăng lên (Bảng 5) ▲Hình Ảnh hưởng nhiệt độ nung tới dung lượng hấp phụ vật liệu Bảng Khối lượng chất hấp phụ nguyên tố phóng xạ U đơn vị diện tích Nhiệt độ nung, 0C Khối lượng U, ads/m2 Kết cho thấy: - Dung lượng hấp phụ nguyên tố phóng xạ (U, Th) kim loại nặng (Fe, Mn) tăng lên nhiệt độ hoạt hóa tăng lên từ 1000C đến 6000C - Khi tăng nhiệt độ hoạt hóa từ 1000C lên 6000C làm cho diện tích bề mặt vật liệu hấp phụ tăng lên đáng kể kích thước lỗ xốp tăng lên tăng khả hấp phụ ion nguyên tố phóng xạ kim loại nặng lên bề mặt vật liệu - Khi loại bỏ lượng nước lớn không gian lớp vật liệu nước nằm bề mặt mở lỗ xốp “lỗ hổng” cung cấp thêm vị trí cho ion nguyên tố phóng xạ kim loại nặng - Dung lượng hấp phụ vật liệu bentonit nâng từ 100 đến 600oC tăng dần lên diện tích bề mặt tăng nhiệt độ tăng Tuy nhiên tăng nhiệt dẫn tới tượng sập khung cấu trúc làm cho dung lượng hấp phụ vật liệu giảm Ngoài Kết luận Kết nghiên cứu cho thấy, dung lượng hấp phụ nguyên tố phóng xạ kim loại nặng phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt hóa vật liệu hấp phụ Khi tăng nhiệt độ hoạt hóa vật liệu hấp phụ từ 1000C lên 6000C làm cho diện tích bề mặt vật liệu tăng lên đáng kể kích thước lỗ xốp tăng lên tăng khả hấp phụ nguyên tố phóng xạ (U Th) kim loại nặng (Fe Mn) lên bề mặt vật liệu tăng đáng kể Lựa chọn nhiệt độ hoạt hóa vật liệu khống sét bentonit khoảng 500oC thời gian giờ, vừa để đảm vật liệu có khả hấp phụ có hiệu nguyên tố phóng xạ kim loại nặng, vừa đảm bảo tính kinh tế đưa vật liệu vào sản xuất quy mô công nghiệp■ TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Minh Đức, 1999 Công nghệ gốm xây dựng NXB Đại học Xây dựng Hà Nội Bojemueller, E & Nennemann, A., 2001 Enhanced pesticide adsorption by thermally modified bentonite Applied Clay Science: 18 International Atomic Energy Agency, 1984 Treatment of Low and Intermediate Level Liquid Radioactive Wastes Technical Reports Series No 236, IAEA, Vienna 100 200 300 400 500 600 0,22 0,20 0,21 0,23 0,43 0,46 STUDy ON THE EFFECTS OF THERmAL ACTIVATION ON BENTONITE FOR RADIOACTIVE ADSORPTION Nguyễn Thúy Lan* Đinh Văn Tôn National Institute of Mining-Metallurgy Science & Technology, Ministry of Industry and Trade Thân Văn Liên Institute for Technology of Radioactive and Rare Elements, Ministry of Science & Technology ABSTRACT This paper presents the studies on effects of thermal activation of bentonite as absorbent for U, Th, Fe and Mn The study results showed that at selected thermal activation mode of around 500oC for hours, bentonite materials have an efficient adsorption capacity of radioactive elements and heavy metals and cost-saving as taking into production at industrial scales Key word: Thermal activation, Radioactivity, Adsorbent, Bentonite 68 Chuyên đề số II, tháng năm 2016 ... hấp phụ vật liệu giảm Ngoài Kết luận Kết nghiên cứu cho thấy, dung lượng hấp phụ nguyên tố phóng xạ kim loại nặng phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt hóa vật liệu hấp phụ Khi tăng nhiệt độ hoạt hóa vật. .. hưởng chế độ hoạt hóa nhiệt tới đặc điểm vật liệu hấp phụ Kết nghiên cứu ảnh hưởng chế độ nhiệt độ hoạt hóa tới đặc điển vật liệu khống sét bentonit diện tích bề mặt kích thước lỗ xốp vật liệu. .. nung 400-6000 C vùng nhiệt độ thích hợp để gia cơng chế tạo vật liệu hấp phụ vật liệu khoáng sét bentonit Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ nung tới đặc điểm lý vật liệu hấp phụ Nhiệt độ nung, oC 400 600