Hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ bauxit Bảo Lộc và định hướng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải

Đề tài nghiên cứu Hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ bauxit Bảo Lộc và định hướng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải nhằm hướng đến mục tiêu giảm được lượng chất thải của quá trình khai thác, chế biến bauxit và tận dụng chất thải dư thừa của quá trình khai thác, chế biến quặng tạo ra loại vật liệu có khả năng xử lý các ô nhiễm ion kim loại nặng và các chất độc hại khác trong môi trường nước. Mời các bạn cùng tham khảo.

33(2)[CĐ], 231-237 Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 6-2011 HẠT VẬT LIỆU CHẾ TẠO TỪ BÙN ĐỎ BAUXIT BẢO LỘC VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC THẢI NGUYỄN TRUNG MINH Email: nttminh@hn.vnn.vn Viện Địa chất - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Ngày nhận bài: 4-4-2011 Mở đầu Thông thường, có ba nguồn nước thải: nước thải cơng nghiệp, nước thải sinh hoạt nước thải nơng nghiệp, đó, nước thải công nghiệp chứa nhiều kim loại nặng Có nhiều phương pháp xử lý nước thải chứa kim loại nặng phương pháp hóa học, (trao đổi ion, điện hóa), phương pháp sinh học,… Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm định phạm vi ứng dụng khác Quá trình xử lý ứng dụng thực tế đòi hỏi u cầu: hệ thống có cấu tạo đơn giản, chi phí đầu tư vận hành thấp, hiệu xử lý cao, thời gian xử lý ngắn, nguyên vật liệu dễ kiếm, rẻ tiền, không gây ô nhiễm thứ cấp, nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn quy định dòng thải… Trên thực tế, khó có phương pháp đáp ứng đầy đủ tất yêu cầu trên, thông thường phương pháp giải phần yêu cầu Do đó, tuỳ theo điều kiện kinh tế, kỹ thuật yêu cầu xử lý mà lựa chọn phương pháp thích hợp Phương pháp hóa học sử dụng oxyt sắt, mangan nhơm có sẵn khống vật tự nhiên rẻ tiền tiện lợi Trong thành phần bùn đỏ Bảo Lộc, Lâm Đồng có nhiều loại khoáng vật chứa chất này, ngun liệu có tiềm cho việc chế tạo sản phẩm hấp phụ [4] Việc nghiên cứu phát triển sản phẩm chế tạo từ bùn đỏ quan trọng cấp bách nay, đáp ứng hai mục tiêu: a/ giảm lượng chất thải trình khai thác, chế biến bauxit b/ tận dụng chất thải dư thừa trình khai thác, chế biến quặng tạo loại vật liệu có khả xử lý nhiễm ion kim loại nặng chất độc hại khác mơi trường nước Trong q trình sản xuất Alumina, bauxite nghiền nhỏ lọc qua sàng 1mm Do đó, bùn thải khơ hạt bụi mịn (60% hạt có ф < 1μm) dễ phát tán vào khơng khí gây nhiễm mơi trường; tiếp xúc thường xuyên với bụi gây bệnh da, mắt Pha lỏng bùn đỏ có tính kiềm gây ăn mòn vật liệu Khi khơng thu gom, cách ly với mơi trường, nước thấm vào đất ảnh hưởng đến trồng, xâm nhập vào mạch nước ngầm gây ô nhiễm nguồn nước Nước thải từ bùn tiếp xúc với da gây tác hại ăn da, làm lớp nhờn làm da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt nẻ, đau rát, sưng tấy loét mủ vết rách xước da Bùn đỏ sinh tất yếu lượng nhơm quặng tinh đạt đến 47-49% phản ứng tách nhôm quặng đạt hiệu suất 70-75% Đây nguồn thải lớn cần quản lý, xử lý triệt để an toàn Trên giới, có nhiều nghiên cứu xử lý bùn đỏ nhằm mục đích loại bỏ phần tiêu hủy an tồn tận dụng thành phần có ích [1] Ở Việt Nam có nghiên cứu xử lý bùn đỏ theo hướng tận dụng sau: Sản xuất gạch; Sản xuất bột màu; Sản xuất Poly Aluminum Cloride P.A.C (CTCT: Aln(OH)mCl3n-m) dùng làm chất trợ lắng xử lý nước; Sản xuất hỗn hợp muối sắt, nhôm sunfat clorua dùng làm chất keo tụ; 231 Nghiên cứu sản xuất chất keo tụ; Nghiên cứu chế tạo hạt hấp phụ ion kim loại nặng xử lý môi trường đỏ để xử lý nhiễm nước thải Thành phần hóa học bùn đỏ Bảo Lộc trình bày bảng Bảng Thành phần nguyên tố bùn đỏ Bảo Lộc (phương pháp phổ huỳnh quang tia X - XRF) Trong báo giới thiệu kết nghiên cứu chế tạo hạt hấp phụ ion kim loại nặng để xử lý ô nhiễm nước thải Vật liệu phương pháp Trong nghiên cứu phát triển ý tưởng tận dụng thành phần có ích bùn đỏ để tạo loại vật liệu có khả xử lý nhiễm kim loại nặng nước thải, thân thiện với môi trường, giá thành rẻ, phù hợp với điều kiện Việt Nam Kết nghiên cứu ban đầu hấp phụ vật liệu chế tạo từ bùn đỏ Bảo Lộc, Lâm Đồng với ion kim loại nặng Pb2+ thơng số hóa lý, hấp phụ đẳng nhiệt khác, khả sử dụng bùn Thành phần hóa học Hàm lượng (% khối lượng) Thành phần hóa học Hàm lượng (% khối lượng) 0,163 Al2O3 27,670 P2O5 Fe2O3 36,280 Cr2O3 0,120 SiO2 8,486 CuO 0,015 CaO 0,066 ZnO 0,010 TiO2 5,389 ZrO2 0,064 MnO 0,045 SO3 0,221 K2O 0,024 MKN 20,330 Các kết đo phương pháp nhiễu xạ tia X(XRD) (hình 1) geothite (7-9%), Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau BBL2b 900 d=1.448 d=1.482 d=1.696 d=1.797 d=1.832 d=2.042 d=1.994 d=2.157 d=2.507 d=2.214 d=3.335 d=4.127 d=3.664 500 d=4.353 Lin (Cps) 600 d=2.692 d=2.653 700 d=2.416 800 400 300 200 100 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Thang VDCKH mau BBL2b.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° 00-006-0502 (D) - Hematite - alpha-Fe2O3 - Y: 90.24 % - d x by: - WL: 1.5406 00-016-0152 (D) - Tridymite - SiO2 - Y: 74.88 % - d x by: - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 9.94000 - b 9.94000 - c 40.92000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - 80 - 3501.38 - F30= 6(0.0430,126 00-033-1161 (D) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 76.56 % - d x by: - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91340 - b 4.91340 - c 5.40530 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - - 113 00-014-0084 (D) - Iron Aluminum Oxide - (Fe0.53Al0.47)2O3 - Y: 85.84 % - d x by: - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 8.59000 - b 9.23000 - c 4.98000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - 394.843 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X(XRD) mẫu bùn đỏ Bảo Lộc - Lâm Đồng hematite (15-17%), kaolilite (16-18%) chiếm thành phần lớn bùn đỏ đóng vai trò quan trọng việc hấp phụ kim loại nặng As Trong q trình tinh chế oxyt nhơm (Alumina), phần quặng không tan kiềm lắng, rửa 232 loại khỏi dây chuyền Bã thải thường gọi bùn đỏ Pha lỏng bùn đỏ chứa thành phần nhôm tan kiềm pha rắn (bùn đỏ) chứa oxyt kim loại chủ yếu 30-60% Hematit-Fe2O3, 10-20% Trihydrate Aluminium-Al2O3, 3-50% Silicon DioxytSiO2, 2-10% Sodium Oxyt-Na2O, 2-8% Calcium Oxyt-CaO, 2-50% Titanium Dioxyt - TiO2 số chất hóa học khác như, Nitrogen, Potasium, Chromium, Zinc Kết luận giải 3.1 Tạo hạt hấp phụ từ bùn đỏ Mẫu bùn đỏ Bảo Lộc (Lâm Đồng) lấy chia thành hai dạng chủ yếu: dạng khô ướt Dạng khô loại bỏ phần tạp chất rễ cây, đá cứng, loại tạp chất hữu cơ, rác sinh hoạt, trước tiến hành bước tiếp theo: - Trộn bùn đỏ với loại phụ gia dầu cốc, cao lanh, thủy tinh lỏng (Na2SiO3) theo tỷ lệ định, thêm lượng nước phù hợp trộn nhuyễn; - Dùng máy ép tạo hạt đường kính cỡ 2,5mm; nhóm kim loại đồng (Cu), chì (Pb), kẽm (Zn), cadimi (Cd), arsen (III) arsen (V) (bảng 2) Các thí nghiệm hấp phụ mẻ đơn kim loại [2] Bảng Kết hấp phụ ion kim loại nặng hạt vật liệu BVNQ (nồng độ Co: 50mM/L) Khả hấp phụ (%)của BVNQ Dung lượng hấp phụ Qe (mg/kg) than hoạt tính C TT Kim loại Dung lượng hấp phụ Qe (mg/kg) BVNQ As 4090 39,87 30 Cd 30370 35,87 63 Cu 16950 71,13 390 Cr 6830 21,82 360 Zn 15720 27,82 440 Pb 73790 46,53 9050 - Phơi khơ ngồi nắng; - Nung mẫu nhiệt độ khác từ 200°C đến 900°C thời gian nung khác từ đến giờ; - Hoạt hóa axit xút pH khác Hạt vật liệu ngâm lắc dung dịch để thử độ bền nước thời gian 180 ngày để tìm vật liệu tốt Hạt vật liệu có ký hiệu BVNQ (hình 2) Các thí nghiệm thực với khối lượng vật liệu 1gam, nhiệt độ phòng, pH trì khoảng 5-6 có đối sánh với loại vật liệu chuẩn (oxyt nhôm hãng Merck) vật liệu bán thị trường carbon hoạt tính (C) Kết khảo sát dung lượng hấp phụ (mg/kg) khả hấp phụ (%) ion KLN (Cd2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+) arsen (III, V) phụ thuộc vào nhiệt đô nung hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ Bảo Lộc thể hình 3-8, qua thấy: nhiệt độ nung tăng khả hấp phụ ion KLN As giảm, thường cao nhiệt độ khoảng 400-500°C Hình Hình ảnh mẫu vật liệu hấp phụ chế tạo 3.2 Hấp phụ kim loại nặng arsen Hình Dung lượng hấp phụ (mg/kg) khả Để kiểm tra khả hấp phụ hạt vật liệu BVNQ, chúng tơi tiến hành thí nghiệm với hấp phụ (%) arsen (III) hạt vật liệu phụ thuộc nhiệt độ nung 233 Hình Dung hấp phụ (mg/kg) khả hấp phụ (%) arsen (V) hạt vật liệu phụ thuộc nhiệt độ nung Hình Dung lượng hấp phụ (mg/kg) khả hấp phụ (%) Pb2+ hạt vật liệu phụ thuộc nhiệt độ nung Hình Dung lượng hấp phụ (mg/kg) khả hấp phụ (%) Zn2+ hạt vật liệu phụ thuộc nhiệt độ nung Hình Dung lượng hấp phụ (mg/kg) khả hấp phụ (%) Cd2+ hạt vật liệu phụ thuộc nhiệt độ nung Từ bảng cho thấy khả hấp phụ hạt vật liệu BVNQ với kim loại nặng arsen tốt hẳn so với than hoạt tính bán thị trường 3.3 Đặc trưng cấu trúc vật liệu hấp phụ BVNQ Đối với vật liệu hấp phụ diện tích bề mặt đường kính xốp hai yếu tố quan trọng định đến khả hấp phụ vật liệu Chúng tiến hành đo diện tích bề mặt đường kính lỗ xốp thu kết sau: Diện tích bề mặt theo phương trình BET Diện tích bề mặt BET: 105,35 m2/ g Hình Dung lượng hấp phụ (mg/kg) khả hấp phụ (%) Cu2+ hạt vật liệu phụ thuộc nhiệt độ nung 234 Đường kính lỗ rỗng: 137,1 A° Độ cứng: 5,5 N/mm2 Dung lượng trao đổi cation CEC: 39,1 meq/100g Từ kết cho thấy BVNQ có khả hấp phụ ion kim loại nặng tương đối cao 3.4 Điểm điện tích khơng hạt Kd: Hằng số phân bố ∆G°: biến thiên lượng tự ∆H°: biến thiên entanpi ∆S°: biến thiên entropi Việc xác định điểm điện tích khơng phương pháp đo pH trình bày báo Nguyễn Trung Minh nnk, 2009 [3, 5, 6] Kết hình cho thấy hệ số tương quan đường cong phụ thuộc ΔpH vào pHi: R2 = 0,990 chứng tỏ đường thực nghiệm đồ thị phù hợp tương lý thuyết nên ta xác định PZC BVNQ dựa vào đồ thị Qua đồ thị ta xác định pHPZC hạt vật liệu BVNQ 9,66 T: nhiệt độ (°K) ∆H° = -139,9754 (kJ/mol) ∆S° = -0,0018 (kJ/mol) Ở 308K: ∆G° = -139,9754 – (308.(-0,0018))= = -139,42 (kJ/mol) Ở 318K: ∆G° = -139,9754 – (318.(-0,0018))= = -139,41 (kJ/mol) Giá trị ΔHo < 0, ΔSo < 0, ΔGo ≤ tăng ΔG tăng nhiệt độ cho thấy trình hấp phụ Pb2+ BVNQ tỏa nhiệt tự xảy o Trong trình hấp phụ, lượng tự bề mặt hệ giảm, nghĩa ΔG