Khả năng hấp phụ chất màu congo red trong môi trường nước của bùn đỏ hoạt hóa

Bùn đỏ là chất thải có độ kiềm cao, mịn, khó đóng rắn, chứa rất nhiều tạp chất nên dễ phát tán gây ô nhiễm môi trường. Việc nghiên cứu sử dụng bùn đỏ vào các lĩnh vực phù hợp là cần thiết nhằm hạn chế sự tác động tiêu cực đến môi trường, nâng cao hiệu quả kinh tế - xã hội cho ngành khai thác và chế biến quặng bauxit đầy tiềm năng ở nước ta. Vì thế đề tài nghiên cứu được thực hiện với mục đích tận thu chất thải để xử lý môi trường. Mời các bạn cùng tham khảo.

Nghiên cứu chung nghiên cứu khoa học KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CHẤT MÀU CONGO RED TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA BÙN ĐỎ HOẠT HÓA ThS Nguyễn Ngọc Tuyền*, PGS.TS Bùi Trung** ABSTRACT Red mud is a by-product of bauxite processing via the Bayer process This study evaluates adsorption capacity of congo red (CR) in aqueous solution by an activated red mud material Experimental results show that the CR removal capacity of activated red mud (ARM) sample that was prepared by heating a raw red mud material with carbon at 900oC for h was much higher than the capacity of raw red mud The CR adsorption into ARM was good at pH below and it took 30 to obttain equilibrium The adsorption data was analyzed using the Langmuir and the Freundlich isotherm models and it was found that the Langmuir isotherm model represented the measured sorption data well The calculated CR absorption capacity of ARM was 112,4 mg/g This study result indicates that ARM can be employed as absorbent for removal of CR also other azo dyes from industrial waste water Keywords: Red mud CR adsorption adsorption capacity azo dyes TÓM TẮT Quá trình chế biến quặng bauxit theo phương pháp Bayer sinh chất thải gọi bùn đỏ Sau hoạt hóa cách nung bùn đỏ thơ với carbon 900oC giờ, bùn đỏ hoạt hoá (BĐHH) đuợc khảo sát khả hấp phụ chất màu congo red (CR) tan nước Kết cho thấy khả hấp phụ BĐHH cao nhiều so với bùn đỏ thô Sự hấp phụ tốt pH nhỏ 5, cân đạt sau 30 phút Phân tích theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freundlich cho thấy hấp phụ CR BĐHH tuân theo mơ hình Langmuir, dung lượng hấp phụ 112,4 mg/g Kết nghiên cứu ứng dụng BĐHH để hấp phụ CR chất nhuộm azo khác từ nước thải cơng nghiệp Từ khố: Bùn đỏ, khả hấp phụ, hấp phụ CR chất nhuộm azo ĐẶT VẤN ĐỀ Bùn đỏ chất thải có độ kiềm cao, mịn, khó đóng rắn, chứa nhiều tạp chất nên dễ phát tán gây ô nhiễm môi trường Việc nghiên cứu sử dụng bùn đỏ vào lĩnh vực phù hợp cần thiết nhằm hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường, nâng cao hiệu kinh tế - xã hội cho ngành khai thác chế biến quặng bauxit đầy tiềm nước ta Cho đến nay, bùn đỏ nghiên cứu ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác làm đất canh tác nông nghiệp, bột màu, phụ gia xi măng, …Với thành phần chủ yếu oxid sắt, nhôm, silic, titan,…nhưng dạng bền, hoạt động, bùn đỏ cẩn hoạt hóa Một phương pháp hoạt hóa nung bùn đỏ với carbon nhiệt độ cao NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất, vật liệu - Bùn đỏ thô (BĐT) tạo cách xử lý bã thải của nhà máy hóa chất Tân Bình với dung dịch HCl 5% nước cất sấy khơ 105oC - Bùn đỏ hoạt hóa (BĐHH) thu qua qui trình hoạt hóa nhiệt BĐT với carbon 900oC Qui trình hoạt hóa đặc tính lý hóa vật liệu trình bày chi tiết báo cáo gần [8] - Chất màu congo red (CR) tinh khiết, có cơng thức sau: C32H22N6O6S2Na2 (M = 696,67 g/mol) Với mục đích tận thu chất thải để xử lý môi trường, tiến hành khảo sát khả hấp phụ bùn đỏ hoạt hóa chất màu congo red môi trường nước * Trường Cao đẳng Nông nghiệp Nam Bộ ** Viện Cơng nghệ Hóa học, Tp Hồ Chí Minh Tập san Khoa học & Giáo dục, số 34 Nghiên cứu khoa học chuyên ngành Hệ thiết bị phản ứng bao gồm bình cầu 1lít đặt bể điều nhiệt Dung dịch khuấy nhờ thiết bị khuấy từ Tiến hành: cho 200mL dung dịch CR có nồng độ xác định vào bình cầu Dùng dung dịch HCl 5% NaOH 5% để hiệu chỉnh pH dung dịch giá trị cần thiết Cho lượng xác định BĐHH vào dung dịch, đặt vào bể điều nhiệt khuấy suốt thời gian phản ứng với tốc độ khoảng 100 vòng/phút Dung dịch rút thời điểm khác tùy thuộc vào yêu cầu khảo sát lọc bỏ phần rắn giấy lọc Dung dịch qua lọc điều chỉnh pH dung dịch đệm xác định nồng độ CR theo phương pháp trắc quang máy DR–2000 Dung lượng hấp phụ vật liệu tính theo cơng thức sau: qt = (Co – Ct)/m Với: qt (mg/g) dung lượng hấp phụ vật liệu thời điểm t Co Ct (ppm) nồng độ hợp chất màu dung dịch ban đầu thời điểm t Nồng độ hợp chất màu xác định phương pháp phân tích trắc quang m (g/L) lượng vật liệu dùng lít dung dịch KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khả hấp phụ CR BĐHH so với BĐT: Thực nghiệm hấp phụ CR mẫu BĐT BĐHH điều kiện CoCR= 300ppm; mvật liệu= 1,0g/L; pHo = 5,0; T = 30±1oC; t = 60 phút, ghi nhận dung lượng hấp phụ (qt) BĐHH 97,29 mg/g, BĐT 68,22mg/g Kết cho thấy phương pháp hoạt hóa nhiệt bùn đỏ với carbon cải thiện đáng kể khả hấp phụ CR vật liệu Sự hấp phụ CR mẫu bùn đỏ theo khuynh hướng tương tác tĩnh điện Tập san Khoa học & Giáo dục, số anion C32H22N6(SO3)22- tâm mang điện tích dương bề mặt vật liệu Tuy nhiên, pHPZC BĐT (có giá trị 7,0) BĐHH (pHPZC =6,9) gần nên thay đổi qt chúng giải thích theo thay đổi hàm lượng hoạt chất (Fe2O3, FeO, Al2O3) tạp chất vật liệu Ngoài ra, BĐT có nước ẩm, nước cấu trúc vật liệu nhiều diện ion OH- tự liên kết với tâm hấp phụ vật liệu [3] Khi hoạt hóa bùn đỏ nhiệt độ cao làm giảm lượng nước vật liệu, thế, khả hấp phụ tăng 3.2 Sự ảnh hưởng yếu tố đến khả hấp phụ CR 3.2.1 Ảnh hưởng pH dung dịch CR ban đầu: pH dung dịch CR ban đầu (gọi pHo) khảo sát khoảng pHo = – (độ tan CR nước pH = thấp [3]) (Điều kiện: m BĐHH = 1,0 g/L; CoCR = o 300 ppm; T = 30±1 C) Hình cho thấy qt giảm pHo tăng Độ tăng, giảm qt khác khoảng pHo 350 Dung lượng hấp thu (mg/g) 2.2 Phương pháp nghiên cứu Đầu tiên khảo sát khả hấp phụ CR BĐT BĐHH Các yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ CR vật liệu, bao gồm: pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, nồng độ ban đầu CR, khảo sát Từ điều kiện phù hợp, áp dụng mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freundlich để đánh giá khuynh hướng hấp phụ CR BĐHH 300 250 200 150 100 50 0 20 40 60 80 100 120 Thời gian tiếp xúc (phút) pH = 3,0 pH = 6,0 pH = 4,0 pH = 7,0 pH = 5,0 pH = 9,0 Hình Sự thay đổi dung lượng hấp phụ CR BĐHH theo thời gian, pHo khác Nhiều nghiên cứu trước ghi nhận, pH dung dịch CR ban đầu tác động đến hình thành tâm mang điện tích bề mặt vật liệu hấp phụ [3],[6] pHPZC BĐHH 6,9, nên điện tích bề mặt thay đổi theo pHo sau: + Khi pHo < 6,9: M-OH(s) + H+(aq) → M-OH2+(s) + Khi pHo > 6,9: M-OH(s) + OH-(aq) → M-O-(s) + H2O (M = Fe, Al, ) Trong nước phân tử CR phân ly thành ion: C32H22N6(SO3)2Na2 → C32H22N6(SO3)22- + 2Na+ 35 Các anion C32H22N6(SO3)22- có khuynh hướng tạo liên kết tĩnh điện với tâm bề mặt tích điện dương BĐHH (khi pHo < 6,9) Do cấu trúc anion C32H22N6(SO3)22cồng kềnh, gây cản trở không gian nên để trình hấp phụ xảy tốt mật độ điện tích dương bề mặt vật liệu phải đủ lớn Vì thế, qt cao khoảng pHo = - 4, tương đối thấp khoảng pHo đến Khi pHo > 7, bề mặt BĐHH tích điện âm, khơng thuận lợi cho hấp phụ anion D u n g lư ợ n g h ấ p th u (m g /g ) 3.2.2.Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc nồng độ CR ban đầu: Theo hình 2a, 2b, hiệu suất qt tăng theo thời gian tiếp xúc Quá trình hấp phụ diễn nhanh khoảng thời gian đầu, sau chậm lại đạt cân sau khoảng 30 phút cho tất nồng độ CR khảo sát H iệ u su ấ t h ấ p th u (% ) Nghiên cứu khoa học chuyên ngành 70 60 50 40 30 20 10 50 100 300 500 N n g đ ộ C R b a n đ ầ u (m g /L ) p hú t p hú t p hú t Hình2b Sự thay đổi hiệu suất hấp phụ theo thời gian nồng độ dung dịch CR ban đầu Kết phân tích phổ UV-Vis (hình 3) cho thấy có giảm cường độ đỉnh phổ đặc trưng CR với hình dạng phổ đồ khơng thay đổi, nghĩa khơng có phá hủy cấu trúc phân tử CR mà xảy trình hấp phụ CR tiếp xúc với BĐHH 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 T h i g ia n tiế p x ú c (p h ú t) m g C R /l 0 m g C R /l 0 m g C R /l 0 m g C R /l Hình 2a Sự thay đổi dung lượng hấp phụ CR theo thời gian nồng độ dung dịch CR ban đầu Khi tăng nồng độ CR, qt có khuynh hướng tăng, hiệu suất lại giảm (hình 2b) Kết từ số nghiên cứu trước ghi nhận thay đổi trái chiều dung lượng hiệu suất hấp phụ CR loại vật liệu khác thay đổi nồng độ CR [1], [9], [10] Theo Vipasiri Vimonses [10], giới hạn tâm hấp phụ bề mặt vật liệu Khi nồng độ CR cao, hầu hết tâm mang điện tích bề mặt vật liệu bị chiếm giữ phân tử CR, lượng phân tử CR dung dịch nhiều Hệ qt cao hiệu suất thấp Ngược lại, với nồng độ CR thấp, gần toàn phân tử CR bị bắt giữ nên hiệu suất hấp phụ cao, số tâm trống lớn nên qt thấp Tập san Khoa học & Giáo dục, số Hình Phổ UV-Vis CR trước sau hấp phụ BĐHH thời điểm khác 3.3 Mơ hình hấp thu đẳng nhiệt CR BĐHH Để dự đoán tương tác phân tử CR với bề mặt vật liệu hấp phụ, ước tính dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu, hai mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt thơng dụng Freundlich Langmuir sử dụng - Mơ hình Freundlich đặc trưng cho q trình hấp phụ khơng lý tưởng hệ dị thể hấp phụ thuận nghịch [11] qe = KF.Ce1/n hay logqe = logKF + (1/n).logCe 36 Nghiên cứu khoa học chuyên ngành Với: qe (mg/g) dung lượng hấp phụ CR vật liệu thời điểm cân bằng, tính theo cơng thức: qe = [V.(Co - Ce)]/m -Mơ hình hấp thu đẳng nhiệt Langmuir mơ tả trình hấp phụ đơn lớp vật liệu hấp phụ có cấu trúc đồng nhất, ước lượng dung lượng hấp phụ tối đa vật liệu [3] qe = KL.qm.Ce/(1 + KL.Ce) Từ hình nhận thấy, hệ số tương quan phương trình đường thẳng theo mơ hình Langmuir (R2 = 0,9975) cao so với hệ số mơ hình Freundlich (R2 = 0,8686) Nghĩa trình hấp phụ đẳng nhiệt CR BĐHH tương thích với mơ hình Langmuir Freundlich Điều cho biết cấu tử CR hấp phụ tâm hoạt tính đồng bề mặt BĐHH trình hấp phụ đơn lớp Hay Ce/qe = 1/(qm.KL) + Ce.(1/qm) ,0 ,0 ,0 ,5 ,9 ,9 ,5 lo g qe Ce/qe (g /L ) ,0 ,0 ,5 y = ,0 x + ,2 1 R = ,9 ,0 ,5 y = ,3 x + ,2 5 R = ,8 ,5 ,0 100 200 C (a) ,8 ,7 ,7 ,6 ,6 T h ự c n g h iệm e 300 400 ,1 500 ,5 ,9 lo g C (m g /L ) M ô h ìn h L a n g m u ir (b) T h ự c n g h iệm ,3 ,7 e M h ìn h F reu n d rich Hình Sự hấp phụ đẳng nhiệt CR theo mơ hình Langmuir (a) Freundlich (b) (Điều kiện m BĐHH = 1,0 g/L; CoCR= 50 – 500 ppm; pHo = 5,0; T = 30±1oC; t = 60 phút) Đặc tính đồng tâm hoạt động bề mặt vật liệu chứng minh thông qua hệ số cân (KD, L/g) Hệ số tính theo cơng thức sau: KD = Cs/Cw Với : Cs (mg/g) CW (mg/L) lượng cấu tử bị hấp phụ vật liệu nồng độ dung dịch thời điểm cân [9] Bảng1 Kết xác định nồng độ CR lại dung dịch sau 45 phút hấp phụ BĐHH tính KD Hàm lượng vật liệu (g/L) 0,3 0,5 1,0 2,0 CoCR (ppm) CwCR (ppm) CSCR (mg/g) KD (L/g) 300 300 300 300 6,95 4,07 2,07 1,05 976,83 591,86 297,93 149,48 140,55 145,42 143,93 142,36 Tập san Khoa học & Giáo dục, số Nhận thấy hệ số KD trình hấp phụ thay đổi không nhiều hàm lượng BĐHH khác Điều thể độ đồng tâm hoạt động bề mặt BĐHH tương đối cao, phù hợp với mơ hình hấp thu đẳng nhiệt Langmuir Như vậy, dung lượng hấp phụ CR cực đại BĐHH điều kiện khảo sát 112,4 mg/g Một số nghiên cứu trước ghi nhận trình hấp phụ CR loại vật liệu khác tn theo mơ hình Langmuir Theo tham khảo, dung lượng hấp phụ CR vật liệu dao động từ vài mg/g đến hàng trăm mg/g tùy thuộc vào vật liệu, chẳng hạn: dung lượng hấp phụ cực đại CR bùn đỏ hoạt hóa axit HCl 7,08 mg/g [9], bùn đỏ nguyên khai 4,05 mg/g [7], cacbon từ rơm rạ 403,7 mg/g [2], bentonit 158 mg/g [5] KẾT LUẬN Bùn đỏ hoạt hóa có khả hấp phụ hợp chất màu congo red môi trường nước, dung lượng hấp phụ CR cực đại BĐHH điều kiện khảo sát (m BĐHH = 1,0 37 Nghiên cứu khoa học chuyên ngành g/L; CoCR = 50 – 500 ppm; pHo = 5,0; T = 30±1oC; t = 60 phút) 112,4 mg/g, cao nhiều so với bùn đỏ thường Khả hấp phụ chủ yếu tương tác tĩnh điện anion hợp chất màu với tâm mang điện tích dương bề mặt vật liệu Quá trình hấp phụ tn theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Kết nghiên cứu làm sở để ứng dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ hợp chất màu azo có cấu trúc tương tự congo red nước thải công nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Chenglong Xia et al.(2011), “Adsorption properties of congo red from aqueous solution on modified hectorite: Kinetic and thermodynamic studies”, Desalination, Vol 265, pp.81–87 [2].Kannan N et al (2002), “Adsorption of congo red on various activated carbons a comparative study”, Water, Air, Soil Pollution, 138, pp 289–305 [3].Li Wang, Aiqin Wang (2007), “Adsorption characteristics of Congo Red onto the chitosan/ montmorillonite nanocomposite”, Journal of Hazardous Materials, Vol 147, p 979–985 [7] Namasivayam C et al (1997), “Removal of congo red from wastewater by adsorption onto waste red mud”, Chemosphere, Vol 34 ( 2), pp 401-417 [8].Nguyễn Ngọc Tuyền, Bùi Trung, 2011, Chế tạo khảo sát hoạt tính xúc tác cho phản ứng Fenton phân hủy phẩm màu anion vật liệu từ bùn đỏ Việt Nam, Tập san khoa học Trường Cao đẳng Nông nghiệp Nam bộ, trang 12-15 [9].Tor A.,Cengeloglu Y., (2006), “Removal of congo red fromaqueous solution by dsorption onto acid activated red mud”, Journal Hazardous Materials, B138, pp 409–415 [10].Vipasiri Vimonses, Shaomin Lei, Bo Jin, Chris W.K Chow, Chris Saint (2009), “Adsorption of congo red by three Australian kaolins”, Applied Clay Science, Vol 43, pp 465–472 [11].Wang S., Zhu Z.H.(2006), “Characterisation and environmental application of an Australian natural zeolite for basic dye removal from aqueous solution”, Journal of Hazardous Materials, B136, pp 946–952 [4].Lorenc-Grabowska E et al (2007), “Adsorption characteristics of Congo Red on coal-based mesoporous activated carbon”, Dyes Pigments, 74, p.34- 40 [5].Mahmut Ozacar, Emrah Bulut, I Ayhan Sengil (2008), “ Equilibrium and kinetic data and process design for adsorption of Congo Red onto bentonite”, Journal of Hazardous Materials, Vol 154 , pp 613–622 [6].Mall I.D.et.al (2006), „Characterization and utilization of mesoporous fertilizer plant waste carbon for adsorptive removal of dyes from aqueous solution“ Colloids Surface, A 278 (1–3), pp.175– 187 Tập san Khoa học & Giáo dục, số 38 ... lượng hấp phụ cực đại CR bùn đỏ hoạt hóa axit HCl 7,08 mg/g [9], bùn đỏ nguyên khai 4,05 mg/g [7], cacbon từ rơm rạ 403,7 mg/g [2], bentonit 158 mg/g [5] KẾT LUẬN Bùn đỏ hoạt hóa có khả hấp phụ. .. dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ hợp chất màu azo có cấu trúc tương tự congo red nước thải công nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Chenglong Xia et al.(2011), “Adsorption properties of congo red from... 97,29 mg/g, BĐT 68,22mg/g Kết cho thấy phương pháp hoạt hóa nhiệt bùn đỏ với carbon cải thiện đáng kể khả hấp phụ CR vật liệu Sự hấp phụ CR mẫu bùn đỏ theo khuynh hướng tương tác tĩnh điện Tập san