Nghiên cứu biến tính bùn đỏ tân rai làm vật liệu xử lý một số kim loại nặng và anion độc hại trong môi trường nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Mai Hƣơng NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BÙN ĐỎ TÂN RAI LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG VÀ ANION ĐỘC HẠI TRONG MƠI TRƢỜNG NƢỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC Hà Nội – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Mai Hƣơng NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BÙN ĐỎ TÂN RAI LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG VÀ ANION ĐỘC HẠI TRONG MƠI TRƢỜNG NƢỚC Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 62440120 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Hồng Côn PGS.TS Trần Thị Dung Hà Nội – 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các kết nghiên cứu số liệu nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày… tháng… năm 2017 TÁC GIẢ PHẠM THỊ MAI HƢƠNG ii LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Hồng Côn, PGS.TS Trần Thị Dung tận tình, động viên, hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt thời gian thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đỗ Quang Trung- Trưởng phòng thí nghiệm Hóa mơi trường, Khoa Hóa học Trường Đại Học Khoa học tự nhiên, ĐH Quốc gia Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện cho thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Hóa học, anh chị thầy Phịng thí nghiệm Hóa mơi trường- Khoa Hóa học, Trường Đại Học Khoa học tự nhiên, ĐH Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ cho thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phịng Tổ chức- Hành chính, Ban chủ nhiệm Khoa bạn đồng nghiệp Khoa Cơng nghệ Hóa học, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội động viên tạo điều kiện động viên thời gian thực luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bố, mẹ, anh, chị, em, chồng,con bạn bè gần xa động viên, giúp đỡ hoàn thành luận án Hà Nội, ngày… tháng… năm 2017 PHẠM THỊ MAI HƢƠNG iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Nguồn gốc thành phần bùn đỏ 1.1.1 Quặng bôxit 1.1.2 Quá trình sản xuất nhơm từ quặng bơxit 1.1.3 Thành phần bùn đỏ 1.2 Ảnh hưởng bùn đỏ môi trường sinh thái 1.3 Một số kết nghiên cứu xử lý bùn đỏ 10 1.3.1 Lưu trữ xử lý theo cách truyền thống 10 1.3.2 Trung hòa bùn đỏ 11 1.3.3 Xử lý theo hướng thu hồi nguyên tố có giá trị từ bùn đỏ 12 1.3.4 Xử lý bùn đỏ làm vật liệu xây dựng 13 1.3.5 Chế tạo số vật liệu xúc tác 14 1.3.6 Khả hấp phụ bùn đỏ 15 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .28 2.1 Chế tạo vật liệu 28 2.1.1 Nguyên liệu, hóa chất dụng cụ 28 2.1.2 Xử lý kiềm dư bùn đỏ 28 2.1.3 Mẫu vật liệu tách loại triệt để nhôm 29 2.1.4 Tổng hợp zeolit bùn đỏ 30 2.2 Các phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu 32 2.2.1 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 32 2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 32 2.2.3 Phương pháp tán xạ lượng EDX 33 2.2.4 Phương pháp phân tích nhiệt (DTA/TGA) 34 2.2.5 Phương pháp xác định điểm điện tích khơng vật liệu 35 2.3 Các phương pháp phân tích định lượng 36 iv 2.3.1 Phân tích thành phần mẫu vật liệu phương pháp hóa học 2.3.2 Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 2.3.3 Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS 2.4 Phương pháp nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu 2.4.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ ion Pb(II), NH 2.4.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ vật liệu 2.4.3 Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ 2.4.4 Động học trình hấp phụ 2.5 Nghiên cứu khả ứng dụng thực tế vật liệu biến tính từ bùn đỏ 2.5.1 Nghiên cứu khả tái sử dụng vật liệu sau hấp phụ 2.5.2 Thử nghiệm khả hấp phụ vật liệu mẫu thật Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Thành phần đặc trưng bùn đỏ thô Tân Rai 3.1.1 Thành phần hóa học bùn đỏ thơ 3.1.2 Đặc trưng bùn đỏ thô 3.2 Đặc trưng tính chất hấp phụ vật liệu bùn đỏ sau xử lý lo axit rửa nước đến pH 3.2.1 Đặc trưng tính chất vật liệu 3.2.2 Khả hấp phụ vật liệu RMA RMW 3.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ vật liệu RMA RMW 3.2.4 Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ vật liệu RMW 3.3 Đặc trưng tính chất hấp phụ vật liệu bùn đỏ sau tách loạ Fe) 3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ NaOH thời gian hòa tách Al 3.3.2 Đặc trưng vật liệu RM-Fe 3.3.3 Khả hấp phụ vật liệu RM-Fe cation anion 3.3.4 Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ vật liệu RM-Fe 3.4 Đặc trưng tính chất hấp phụ vật liệu zeolit tổng hợp trực tiế đỏ 3.4.1 Đặc trưng vật liệu tổng hợp 3.4.2 Khả hấp phụ vật liệu cation anion 3.5 Khả ứng dụng thực tế vật liệu biến tính từ bùn đỏ Tân Rai 3.5 Nghiên cứu tái sử dụng số vật liệu hấp phụ biến tính từ bùn đỏ v 3.5.2 Một số kết thử nghiệm khả hấp phụ vật liệu biến tính mẫu nước nhiễm 113 3.6 Tổng hợp kết nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu biến tính từ bùn đỏ ion khảo sát 117 KẾT LUẬN 119 NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT HDPE: Bạt chống thấm (High density Polyethylen) SBU: đơn vị cấu trúc thứ cấp zeolit IR: Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy) DTA: Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis) TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravemic analysis) SEM: Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) TEM: Hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy) BET: phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (Brunauer Emmertt Teller) pHpzc : điện tích điểm khơng (Point of zero Charge) XRF: Phổ huỳnh quang tia X ( X-Ray Fluorescence) XRD: Phổ nhiễu xạ tia X (X-Ray diffraction) EDX: Energy-dispersive X –Ray spectroscopy UV-VIS: Phổ hấp thụ phân tử (Ultra violet- Visible) AAS: Phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometer) HVG: Kỹ thuật hidrua hóa (Hidride vapor generator) GFA: Lị graphit phương pháp phổ nguyên tử (Graphite furnace AAS) RM: bùn đỏ thô RMW: bùn đỏ rửa nước RMA: bùn đỏ trung hòa axit RM-Fe: bùn đỏ tách loại nhôm RM ZeO-Si: Vật liệu dạng zeolit tổng hợp từ bùn đỏ thêm silic RM ZeO-Si/Al: Vật liệu dạng zeolit tổng hợp từ bùn đỏ thêm đồng thời silic nhôm EDTA: Axit etylen diamin tetra axetic SAHS: Muối natri nhôm siliacat (Sodium aluminum silicat hydrate) ALCOA: Tập đồn alumin- nhơm Autralia SMEWW: Phương pháp tiêu chuẩn phân tích kiểm tra chất lượng nước nước thải (Standard Methods for Examination of Water and Wastewater) vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Chế độ nấu bôxit theo quy trình Bayer Bảng 1.2 Thành phần bùn đỏ nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ Chí Minh ………………………………………………………………………………………… Bảng 1.3 Thành phần nguyên tố bùn đỏ Bảo Lộc (Phương pháp phổ huỳnh quang tia X- XRF Bảng 1.4 Thành phần khoáng bùn đỏ theo trình thủy phân khác Bảng 2.1 Địa điểm thời gian lấy mẫu nước ngầm 43 Bảng 2.2 Địa điểm thời gian lấy mẫu nước thải 44 Bảng 3.1 Thành phần bùn đỏ thô RM theo phương pháp phân tích hóa học phổ huỳnh quang tia X 46 Bảng 3.2 Kết xác định pHpzc bùn đỏ thô 49 Bảng 3.3 Kết phân tích thành phần bùn đỏ Tân Rai sau trung hòa rửa kiềm phương pháp hóa học 51 Bảng 3.4 Dạng tinh thể tồn oxit/hidroxit kim loại mẫu bùn đỏ biến tính RMA, RMW nhiệt độ bùn đỏ thô (RM) 54 Bảng 3.5 Thành phần oxit/hidroxit kim loại diện tích bề mặt riêng vật liệu 56 Bảng 3.6 Kết xác định pHpzc vật liệu RMW RMA 57 Bảng 3.7 Kết khảo sát hấp phụ sơ As(V) vật liệu RMW RMA .58 Bảng 3.8 Kết khảo sát hấp phụ sơ Pb(II) vật liệu RMW RMA .60 + Bảng 3.9 Kết khảo sát hấp phụ sơ NH4 vật liệu RMW RMA 61 - Bảng 3.10 Kết khảo sát hấp phụ sơ NO2 vật liệu RMW RMA 62 Bảng 3.11.Thơng số mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich hấp phụ As(V) bùn o o đỏ rửa nước nung 350 C (RMW 350), bùn đỏ thô bùn đỏ thô nung 350 C .68 Bảng 3.12.Thơng số mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich hấp phụ Pb(II) bùn o o đỏ rửa nước nung 250 C (RMW 250), bùn đỏ thô bùn đỏ thô nung 250 C 70 + Bảng 3.13.Thông số mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich hấp phụ NH4 bùn o o đỏ rửa nước nung 350 C (RMW 350), bùn đỏ thô bùn đỏ thô nung 350 C 71 - Bảng 3.14.Thông số mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich hấp phụ NO2 bùn o o đỏ rửa nước nung 350 C (RMW 350), bùn đỏ thô bùn đỏ thô nung 350 C 73 viii Bảng 3.15 Kết khảo sát nồng độ NaOH thời gian hòa tách Al Bảng 3.16 Thành phần hóa học số oxit vật liệu RM-Fe Bảng 3.17 Dạng tồn oxit/hidroxit sắt nhôm mẫu bùn đỏ thô RM mẫu bùn đỏ biến tính Bảng 3.18 Diện tích bề mặt riêng mẫu bùn đỏ thơ (RM) mẫu bùn đỏ RMFe biến tính Bảng 3.19 Kết khảo sát sơ khả hấp phụ As(V), Pb(II), NO2 vật liệu RM-Fe Bảng 3.20 Thơng số mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich bùn đỏ tách loại nhôm RM-Fe Bảng 3.21 Kết XRD mẫu zeolit biến tính từ bùn đỏ Bảng 3.22 Thành phần nguyên tố vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al Bảng 3.23 Các tham số phương trình động học bậc biểu kiến hấp phụ As(V) vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al Bảng 3.24 Các tham số phương trình động học bậc biểu kiến hấp phụ Pb(II) vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al Bảng 3.25 Các tham số phương trình động học bậc biểu kiến hấp phụ NH vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al Bảng 3.26 Các tham số phương trình động học bậc biểu kiến hấp phụ NO vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al Bảng 3.27 Ảnh hưởng anion đến khả hấp phụ As(V) NO2 Bảng 3.28 Ảnh hưởng cation đến khả hấp phụ Pb(II) NH Bảng 3.29 Thông số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich trình hấp phụ As(V) Bảng 3.30 Thơng số mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich trình hấp phụ Pb(II) Bảng 3.31 Thơng số mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich trình + hấp phụ NH4 105 Bảng 3.32 Thông số mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich q trình hấp phụ NO2 Bảng 3.33 Kết rửa thu hồi As(V) dung dịch NaCl - Hình 2.1: Đƣờng hấp phụ-giải hấp bùn đỏ thơ (RM) Hình 2.2: Đƣờng phân bố kích thƣớc lỗ xốp BJH bùn đỏ thơ (RM) o Hình 2.3: Đƣờng hấp phụ-giải hấp bùn đỏ trung hòa axit 350 C (RMA 350) Hình 2.4: Đƣờng phân bố kích thƣớc lỗ xốp BJH bùn đỏ trung hòa axit o 350 C (RMA 350) Hình 2.5: Đƣờng hấp phụ-giải hấp bùn đỏ rửa nƣớc đến pH =7 o 350 C (RMW 350) Hình 2.6: Đƣờng phân bố kích thƣớc lỗ xốp BJH bùn đỏ rửa nƣớc o đến pH =7 350 C (RMW 350) 10 Hình 2.7: Đƣờng hấp phụ-giải hấp bùn đỏ rửa nƣớc đến pH =7 o 150 C (RMW 150) Hình 2.8: Đƣờng hấp phụ-giải hấp bùn đỏ rửa nƣớc đến pH =7 o 850 C (RMW 850) 11 o Hình 2.9: Đƣờng hấp phụ-giải hấp bùn đỏ trung hòa axit 850 C (RMA 850) Hình 2.10: Đƣờng phân bố kích thƣớc lỗ xốp BJH bùn đỏ trung hòa o axit 850 C (RMA 850) 12 o Hình 2.11: Đƣờng hấp phụ-giải hấp bùn đỏ tách loại nhơm 60 C (RM- Fe) Hình 2.12: Đƣờng phân bố kích thƣớc lỗ xốp BJH bùn đỏ tách loại nhơm o 60 C (RM-Fe) 13 o Hình 2.13: Đƣờng hấp phụ-giải hấp bùn đỏ tách loại nhơm 90 C (RM- Fe 90) Hình 2.14: Đƣờng phân bố kích thƣớc lỗ xốp BJH bùn đỏ tách loại nhôm o 90 C (RM-Fe 90) 14 o Hình 2.15: Đƣờng hấp phụ-giải hấp bùn đỏ tách loại nhôm 350 C (RM- Fe 350) o Hình 2.16: Đƣờng hấp phụ-giải hấp bùn đỏ tách loại nhơm 800 C (RM- Fe 800) 15 Hình 2.17: Đƣờng hấp phụ-giải hấp vật liệu RM ZeO-Si Hình 2.18: Đƣờng phân bố kích thƣớc lỗ xốp BJH vật liệu RM Zeo-Si 16 Hình 2.19: Đƣờng hấp phụ-giải hấp vật liệu RM ZeO-Si/Al Hình 2.20: Đƣờng phân bố kích thƣớc lỗ xốp BJH vật liệu RM Zeo-Si/Al 17 PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HỒNG NGOẠI 18 Hình 3.1 Phổ hồng ngoại vật liệu RM ZeO-Si Hình 3.2 Phổ hồng ngoại vật liệu RM ZeO-Si/Al 19 PHỤ LỤC KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC HẤP PHỤ 20 Số liệu mơ hình động học hấp phụ As(V)- Hình 3.41 Co ppm Ce ppm 1 1 1 1 1 1 1 1 Co ppm 0.245 0.156 0.057 0.055 0.053 0.051 0.051 0.051 0.456 0.351 0.235 0.197 0.197 0.197 0.197 0.197 Ce ppm 1 1 1 1 1 1 1 1 0.489 0.356 0.289 0.234 0.198 0.191 0.191 0.191 0.391 0.357 0.312 0.269 0.219 0.169 0.169 0.169 21 Co ppm Ce ppm 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Co ppm 7.0002 5.0505 3.0289 2.4369 1.4369 1.4358 1.4358 1.4358 1.4358 1.4358 4.2959 3.6149 2.6312 1.5651 1.5115 1.5043 1.5041 1.5041 1.5041 1.5041 Ce ppm 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 7.0002 5.0505 3.0289 2.4369 1.4369 1.4358 1.4358 1.4358 1.4358 1.4358 4.2959 3.6149 2.6312 1.5651 1.5115 1.5043 1.5041 1.5041 1.5041 1.5041 ... Vì đề tài ? ?Nghiên cứu biến t nh b n đỏ Tân Rai làm vật liệu 27 xử lý số im loại nặng anion độc hại môi trường nước? ?? thực dựa số định hướng nghiên cứu sau: - Xử lý kiềm dư bùn đỏ Tân Rai đưa pH... bùn đỏ 1.3.6.2 Xử lý bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ Từ tính chất hấp phụ oxit có sẵn bùn đỏ mà có nhiều nghiên cứu biến tính bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ cation anion độc hại môi trường nước a Xử lý. .. NHIÊN Phạm Thị Mai Hƣơng NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BÙN ĐỎ TÂN RAI LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG VÀ ANION ĐỘC HẠI TRONG MƠI TRƢỜNG NƢỚC Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 62440120 LUẬN ÁN TIẾN