Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+ của khoáng sét (Cao Lanh) ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng : Đề tài NCKH. QT.08.61

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI* HỌC KHOA HỌC T ự• NHIÊN • • • idc'krkieie'k^crk NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HÁP PHỤ Cu2+ CỦA KHOÁNG SÉT (CAO LANH) ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC Ồ NHIỄM KIM LOẠI NẶNG MÃ SĨ: QT-08-61 CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI: TS Nguyễn Mạnh Khải CÁC CÁN B ộ THAM GIA: ThS Ngô Đức iMinh CN Nguyễn Xuân Huân s v Nguyễn Thị Luyến Ĩ T 'ì - i y HÀ NỘI - 2008 ị Báo cáo tóm tắt a Tên đề tài: Nghiên cứu khả hấp phụ Cu2+ khoáng sét (cao lanh) ứng dụng xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng M ã số: QT-08-61 b Chủ trì đề tài: TS Nguyễn Mạnh Khải c Các cán tham gia: ThS Ngơ Đức Minh, Viện Nơng hóa Thổ nhưỡng CN Nguyễn Xuân Huân, Trường Đại học K hoa học Tự nhiên s v Nguyễn Thị Luyến, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên d Mục tiêu nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Tìm hiểu đặc tính hấp phụ vật liệu hấp phụ (khống sét) để ứng dụng công nghệ môi trường đặc biệt với xử lý kim loại nặng nước với mức độ nhiễm thấp Nội dung nghiên cứu: • Nghiên cứu số tính chất khống sét tự nhiên • Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới hấp phụ kim loại nặng khoáng sét Trong nghiên cứu kim loại đồng (Cu) sử dụng nghiên cứu điển hình • Áp dụng vào thực tể xử lý nước thải nhiễm đồng e Các kết đạt N ghiên cứu khảo sát khử Cu(II) mơi trường nước khống sét Trúc Thôn, Hải Dương (thành phần chủ yếu kaolinite) Các thí nghiệm tiến hành để tìm hiểu ảnh hưởng yếu tố pH, thời gian tương tác, nồng độ chất hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ K ết cho thấy hấp phụ Cu(II) khoáng sét nghiên cứu diễn nhanh thời gian đầu tối đa khoảng 120 phút, động học trình hấp phụ tuân thủ phương trình Lagergren với số hấp phụ k từ 0,035 đến 0,097 Đường cong hấp phụ Freundlich chuyển dạng tuyến tính với hệ số tương quan R -0,97-0,99 số hấp phụ Freundlich Kp từ 1,0541,162 m g'^g^L ", hệ số n từ 0,258-0,446 pH hấp phụ tối ưu từ 5,5 đến Kết nghiên cứu cho thấy khoáng sét tự nhiên chất hấp phụ tốt Cu(II) (>2,2 mg/g) môi trường nước, ứ n g dụng khoáng sét đê xử lý nước ô nhiễm Cu2+ hàm lượng thấp đạt hiệu suất xử lýtương đơi cao f Tình hình kinh phí đề tài (hoặc dự án) Tổng kinh phí giao: 20.000.000 đồng Kinh phí sử dụng: 20.000.000 đồng Chi cho khoản: - Quản lý phí: 800.000 đồng - Điện nước: 800.000 đồng - Thông tin liên lạc: 200.000 đồng - Cơng tác phí: 400.000 đồng - Th khốn chun mơn, chi khác: 17.800.000 đồng KHOA QN LÝ _ * - CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI TS NGUYÊN MẠNH KHẢI PGS.TS NGUYÊN THỊ HÀ C QUAN CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI PHĨ HJỀll IRƯĨNO G3.I ■hn-.iịy/i 7 J / ị Project sum m ary in English a Title: Adsorption o f Cu2+ on clay mineral (kaolinite) application for w astew ater treatment, Code: QT-08-61 b Project manager: Dr Nguyễn M ạnh Khải c Key contributors: Msc Ngô Đức Minh, Institution for Soil and fertilizer Bsc Nguyễn Xuân Huân, Hanoi University o f Science Student Nguyễn Thị Luyến, Hanoi University o f Science d Aims and objectives Aims: The aims o f this project was to investigate the adsorption characteristics o f clay mineral (kaolinite) applying in the environmental technology with speciation o f removal o f trace metal in polluted water Objectives: • Investigate chemical and phisical characteristics o f studied clay minerals • Investigate some factors effecte on adsorption capacity o f studied clay minerals The describle adsorption o f Cu2+ on clay mineral was as a case study • Application to remove Cu in a polluted water e M ain results D evelopm ent o f a variety o f improved and economical material has received considerable attendtion for removal o f heavy metals from w ater through adsorption This study investigated the removal o f Cu (II) with T ructhon’s clay minerals (mainly kaolinite) in aqueous environment Batch adsorption experim ents were carried out by considering various solution pH, interaction tim e, adsorbent concentration The adsorption was strongly dependent on pH o f the environment The adsorption was very fast initially and maximum adsorption was observed within 120 o f agitation for Cu(II) and following Lagergren equation with adsorption rate constant (k) yielded 0.035-0.097 The empirical Freundlich isotherm yielded linear plots with R -0,97-0,99 and the values o f the coefficients, n was 0.258-0.446 and Kp was 1.054-1.162 m g 1'ng ' 1Ln The pH range o f 5.5-6.0 was found being optimal for adsorbing o f Cu(II) The results showed that natural clay minerals are good adsorbents for Cu(II) (>2.2 mg/g) in aqueous environment MỤC LỤC MỤC LỤ C DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ H ÌN H Danh mục b ản g Danh mục hình MỞ ĐÀU CHƯƠNG MỘT SỐ VÁN ĐỀ CHƯNG .11 1.1 Sơ lược trình hình thành khống s é t 11 1.2 Cấu trúc phân loại khoáng sé t 12 1.2.1 Giới thiệu cấu trúc khoáng sé t 12 1.2.2 Phân loại khoáng sét 14 1.3 Một số tính chất khống sét 16 1.3.1 Tính trương n .16 1.3.2 Tính chất trao đổi cation 17 1.3.3 Tính chất hấp phụ 18 1.4 Cấu trúc chất hấp p h ụ 20 1.4.1 Cấu trúc hóa học 20 1.4.2 Cấu trúc xốp 20 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất hấp phụ vật liệu sét 24 1.5.1 Bản chất chất hấp p h ụ 24 1.5.2 Chất bị hấp p h ụ 24 1.5.3 Nồng độ chất bị hấp phụ 25 1.6 Nhừng nghiên cứu ứng dụng đất sét giới nước 25 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u .7 27 2.1 Đối tượng nghiên cứu 27 2.2 Phương pháp nghiên u 27 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u 30 3.1 Kẽt xác định số đặc điểm mẫu nghiên cứu 30 3.2 Kết nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Cu2+ sé t 30 3.2.1.Ảnh hưởng thời g ian 30 3.2.2 Ảnh hường cùa p H 33 3.2.3 Ảnh hường nồng độ Cu2+ 34 3.2.4 Ảnh hường TOC (Tổng bo hữu cơ) 36 3.3 Áp dụng vào thực tá xử lý nưức tírải nhiễm đ n g 36 TAI LIỆU THAM K H Ả O 39 KẾT L U Ậ N .41 DANH MỤC CẤC BẢNG VÀ HÌNH Danh mục bảng Bảng Thành phần cấp hạt (%), hàm lượng bon hữu (OC), dung tích trao đổi cation (CEC) mẫu nghiên cứu 30 Bảng .Biến đổi lượng Cu2+ hấp phụ theo thời gian khoáng sé t 31 Bảng Các tham số mô tả động học hấp phụ Cu2+ khoáng s é t 32 Bảng Hằng số hấp phụ Freundlich Cu2+ (Kp n) với loại sét nghiên cứu 35 Danh mục hình Hình Cấu trúc đơn vị cấu tạo nên khoáng s é t 12 Hình Cấu trúc tứ diện 13 Hình Sự xếp lỗ sáu cạnh cùa oxy đáy mạng tử diện 13 Hình Đơn vị cấu trúc khơng gian lóp Aluminat silicat 13 Hình Cấu trúc tứ diện bát diện m ontm orionit 15 Hình Cấu trúc không gian C hlorit 16 Hình Động học trình hấp phụ Cu2+ khống sét theo thời gian 31 Hình Sự liên hệ hàm lượng Cu2+ bị hấp phụ (ln(qe-qt)) thơi gian hấp p h ụ 32 Hình Anh hưởng pH đến lượng Cu2+ bị hấp phụ khoáng sét 33 Hình 10 Sự liên hệ nồng độ Cu2+ dung dịch cân (mg/L) hàm lượng Cu2+ hấp phụ bời khoáng sét (m g/g) .35 Hình 11 Ảnh hưởng TOC đến khả hấp p h ụ 36 Hình 12 Sơ đồ nguyên lý xử lý Cu2^ n c 37 MỞĐẲU Hiện nay, ô nhiễm kim loại nặng ngày quan tâm Đặc biệt tình trạng nhiễm kim loại nặng Việt Nam, hầu thải từ xí nghiệp: khai khống, luyện kim đen, luyện kim màu, mạ không xử lý xử lý chưa triệt để xả thải trực tiếp làm cho nguồn tiếp nhận ao, hồ, nguồn nước ngầm bị nhiễm kim loại nặng Sự tích lũy kim loại nặng đất, trồng, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng mối quan tâm nhiều quốc gia giới Chính vậy, năm lần, Hội thảo Quốc tế kim loại nặng ICO BTE, viết tắt ''''International Conference on the Biogeochemistry o f Trace Elements ” tổ chức 9lh ICO BTE diễn Bắc Kinh, Trung Quốc vào tháng 7/2007 Hội thảo thu hút 500 nhà khoa học từ khoảng 50 nước thẻ giới tới dự thảo luận vấn đề liên quan đến kim loại nặng, tích lũy kim loại nặng đất cây, ảnh hưưng cùa kim loại nặng đến sinh vật sức khỏe cộng đồng cơng nghệ phân tích, đánh giá, xử lý nhiễm kim loại nặng Ô nhiễm kim loại nặng gây nên hậu auả nghiêm trọng tới sức khỏe người Khi nhiễm vào thể, kim loại nặng tích tụ vào quan nội tạng gan, thận, thẩn kinh, xương khớp gây nhiều bệnh nguy hiểm ung thư, thiếu máu, ngộ độc kim loại nặng Có thể nói kim loại nặng hủy hoại đời sống động thực vật nói chung Chính việc tìm giải pháp để xử lý kim loại nặng mối quan tâm tồn cầu Xử lý nước nhiễm kim loại nặng phương pháp hấp phụ trờ thành phương pháp có hiệu nghiên cứu ứng dụng nhiều nước giới Sét loại khống có mặt khắp nơi, co đặc tính hấp phụ tự nhiên Đã từ lâu giới, đặc biệt nước tiên tiến người ta nghiên cứu kỹ thành phần, cấu tạo, tính chất khả hấp phụ, tẩy trắng hoạt tính xúc tác nỏ Kết cùa cơng trình ap dụng chc nhiều ngành cơng nghiệp quan trọng Đặc í iệt ì lĩnh vực hấp phụ Ở Việt Nam với đặc điểm nước nhiệt đới nên có nhiều loại khống sét hình thành dễ tìm thấy Một số vùng Việt Nam có nhiều khống sét khai thác sử dụng như: Trúc Thôn (Hải Dương), Nơng Cống (Thanh Hóa), Đồng Hỷ (Thái Ngun) Các khống sét khai thác ứng dụng nhiều cơng nghiệp, phải kể đến loại cơng nghiệp gốm, vật liệu xây dựng, cơng nghiệp giấy Một hướng nghiên cứu quan tâm nghiên cứu ứng dụng khống xử lý nhiễm mơi trường Do đề tài “Nghiên cứu khả hấp phụ Cu2* khoáng sét (caolanh) ứng dụng xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng” thực với nội dung chủ yếu nhàm đánh giá hiệu hấp phụ kim loại nặng khoáng sét tự nhiên: • Nghiên cứu số tính chất khống sét tự nhiên • Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới hấp phụ kim loại nặng khoáng sét Trong nghiên cứu kim loại đồng (Cu) sử dụng nghiên cứu điển hình • Áp dụng vào thực tế xử lý nước thái nhiễm đồng Báo cáo đề tài chia làm chương: - Chương 1: Một số vấn đề chung (Tổng quan tài liệu) - Chương 2: Phương pháp nghiên cứu - Chương 3: Kết nghiên cứu thảo luận Sản phẩm khoa học đề tài gồm 01 báo cáo khoa học, báo khoa học đăng tạp chí Khoa học tự nhiên Cơng nghệ, và01sinh viên bảo vệ thành cơng khóa luận tốt nghiệp cử nhân công nghệ CHƯƠNG MỘT SỔ VẲN đ ẻ c h u n g ■ 1.1 Sơ lược q trình hình thành khống sét Trong thổ nhưỡng học người ta gọi sét hạt khoáng cỏ đường kính nhỏ |im, khơng phân biệt thành phần hóa học [ 11; 15] Khống sét nói chung sét khoáng cao lanh loại quặng tàn dư loại đá chứa pecmatit, granit, gabro riolit, hay đá phun trào axit katophia, phenrit Ngồi cịn hình thành q trình thay đổi chất trao đổi đá gốc cộng sinh nhiệt dịch quacphorit [8 ] Sự hình thành khống sét đất phức tạp nhiều nhà khoa học quan tâm Hamdi (1959), Rorbert cộng (1974), Roesler Starke (1967) cho khống sét hình thành chù yếu bàng đường phong hóa khống vật silicat alumosilicat đá macma [3] Phong hóa chia làm loại vật lý, hóa học, sinh học [8 ; 11 ]: • Phong hóa vật lý: Là trình phá hủy đá gốc yểu tố vật lý như: học, nhiệt độ, gió, m ưa mà khơng làm thay đổi tính chất, thành phần hóa học Qua thời gian dài, biến đổi liên tục mà tạo mỏ sét ngun sinh hay thứ sinh • Phong hóa hóa học: Là trình phân hủy đất đá cấu trúc, thành phần hóa học yếu tố, trình hỏa học: q trình hịa tan, q trình thủy phân, q trình oxi hóa, Ví dụ: Ở điều kiện pH = - trình thủy phân chất hình thành nên monthmorionit chủ yếu • Phong hóa sinh học: Là q trình phân hủy đá gốc dẫn xuất vi khuẩn, thực vật, động vật tham gia Đặc biệt axit rễ làm phá hủy bề mặt ngồi cùa đất Kiểu phong hóa tàn dư biến đơi chất '.rao đổi nhiệt dịch tạo nên mó sét tai chỗ fmỏ sét nguyên sinh) Nếu tiếp rạc phong hóa yếu 1:50, khuấy hệ 45 phút, thêm chất keo tụ PAC để lắng 10 phút Lấy phần nước xác định lại thông số, kết thu được: pH: 5,8 COD: 87 mg/L SS: 25 mg/L Cu2+: 0,7 mg/L Mặc dù lượng Cu2+ lại nước sau xử lý cao so với tinh tốn sử dụng phương trình Freundlich để mơ (mục 3.2.3), ngun nhân ảnh hưởng chất hữu cơ, muối tan nước, kêt thu thấp TCVN 5945:2005 cột A Lượng bùn cặn thu sau lắng sử dụng chơn lấp, cải tạo đât sử dụng công nghiệp vật liệu xây dựng Tuy nhiên, hướng xử lý bùn cặn cần có nghiên cứu cụ thể trước áp dụng KÉT LUẬN ■ Khoáng sét loại vật liệu có tiềm sử dụng để hấp phụ kim loại nặng, ứng dụng xử lý ô nhiễm nước Khống sét Trúc Thơn có hàm lượng cacbon hữu (OC) 2,2 m gCu/g) khoáng sét co khả hấp phụ tốt Cu(II) Ket luận C u 2* dung địch cân t>Ang (mg/L) Khoáng sét loại vật liệu co tiềm nang sử dụng để hấp phụ kim loại nặng, ứng dụng xử lý nhiễm nước Khống sét Trúc Thơn có hàm lượng cacbon hữu (OC)