Nghiên cứu sử dụng diatomite tự nhiên và tro bay để hấp thụ cd và pb trong đất và nước ô nhiễm 624403

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM ANH HÙNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ TRO BAY ĐỂ HẤP PHỤ Cd VÀ Pb TRONG ĐẤT VÀ NƯỚC Ô NHIỄM LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI, NĂM 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM ANH HÙNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ TRO BAY ĐỂ HẤP PHỤ Cd VÀ Pb TRONG ĐẤT VÀ NƯỚC Ô NHIỄM CHUYÊN NGÀNH: MÃ SỐ: MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC 62440303 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TSKH Nguyễn Xuân Hải TS Nguyễn Xuân Thành HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực từ kết tham gia thực đề tài nghiên cứu luận án Để thực luận án trực tiếp tham gia vào đề tài nghiên cứu chủ trì đồng ý để phục vụ cho luận án kết đào tạo đề tài Một số kết công bố tạp chí khoa học chuyên ngành với đồng ý đồng tác giả phù hợp với quy định hành Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan kết nghiên cứu trình bày luận án Tác giả luận án NCS Phạm Anh Hùng LỜI CẢM ƠN Hoàn thành luận án này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TSKH Nguyễn Xuân Hải, người trực tiếp hướng dẫn bảo tận tình, cho tơi kiến thức bổ ích tạo điều kiện thuận lợi suốt q trình nghiên cứu luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn TS Nguyễn Xuân Thành giúp đỡ hỗ trợ nhiều suốt q trình nghiên cứu Tơi nhận động viên giúp đỡ tận tình thầy cơ, anh chị bạn nhóm nghiên cứu Bộ môn Thổ nhưỡng Môi trường đất, Khoa Môi trường, xin chân thành cảm ơn giúp đỡ qúy báu Tơi xin gửi lời cảm ơn tới giúp đỡ, động viên gia đình bạn bè trình học tập thực luận án Hà Nội, ngày tháng Nghiên cứu sinh Phạm Anh Hùng năm 2017 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Những đóng góp Cấu trúc luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan kim loại nặng (KLN) 1.1.1 Khái niệm KLN 1.1.2 Tính độc hại KLN 1.1.3 Đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng đất 1.1.4 Nguồn KLN (Cd Pb) đất 1.1.2 Sự cố định, biến đổi khả chuyển hố KLN đất 1.1.3 Ơ nhiễm KLN (Cd Pb) Việt Nam 1.2 Tổng quan phương pháp xử lý KLN (Cd Pb) đất, nước 1.3 Tổng quan vật liệu diatomite tro bay 1.3.1 Diatomite 1.3.2 Tro bay 1.4 Một số phương pháp nâng cao hoạt tính vật liệu hấp phụ 1.4.1 Phương pháp nhiệt hóa 1.4.2 Xử lý axit/kiềm hóa 1.4.3 Hoạt hóa với chất hoạt động bề mặt 1.4.4 Phương pháp phủ bọc 1.4.5 Zeolit hóa CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.1.1 Đất nước dùng để thí nghiệm 2.1.2 Vật liệu sử dụng nghiên cứu 2.2 Nội dung nghiên cứu 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu, số liệu 54 2.3.2 Phương pháp điều tra thực địa 54 2.3.3 Phương pháp phân tích 55 2.3.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 56 2.3.5 Các phương pháp nghiên cứu vật liệu 61 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 67 3.1 Các tính chất vật liệu hấp phụ 67 3.1.1 Các tính chất diatomite Hòa Lộc tự nhiên (D-HL) 67 3.1.2 Các tính chất tro bay 67 3.2 Nghiên cứu tổng hợp vật liệu từ diatomite Hòa Lộc (D-HL) 68 3.2.1 Ảnh hưởng lượng NaOH Al(OH)3 69 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 71 3.2.3 Ảnh hưởng thời gian phản ứng 72 3.2.4 D-HL biến tính thay đổi tính chất lý hóa học D-HL 76 3.3 Nghiên cứu tổng hợp vật liệu từ tro bay Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại (T-PL) 81 3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ kiềm 81 3.3.2 Ảnh hưởng thời gian phản ứng 83 3.3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 85 3.3.4 T-PL biến tính thay đổi tính chất lý hóa học 87 3.4 Kết thử nghiệm vật liệu hấp phụ KLN Cd, Pb đất ô nhiễm 93 3.4.1 Các tính chất đất dùng để thí nghiệm 93 3.4.2 Hiệu suất hấp phụ Cd Pb môi trường đất vật liệu D-HL trước sau biến tính 93 3.4.3 Hiệu suất hấp phụ Cd Pb vật liệu T-PL trước sau biến tính 104 3.4.4 So sánh hiệu suất hấp phụ Cd Pb vật liệu D-HL T-PL biến tính 111 3.5 Kết thử nghiệm vật liệu hấp phụ KLN Cd, Pb môi trường nước 112 3.5.1 Khả hấp phụ Cd Pb nước vật liệu D-HL trước sau biến tính 112 3.5.2 Khả hấp phụ Cd Pb nước vật liệu T-PL trước sau biến tính 123 3.5.3 So sánh động học hấp phụ vật liệu 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 138 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 PHỤ LỤC 153 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Đề xuất hàm lượng tối đa cho phép (MAC) KLN xem độc thực vật đất nông nghiệp Bảng 1.2: Quy chuẩn Việt Nam QCVN 03-MT:2015/BTNMT quy định hàm lượng KLN đất cho số mục đích sử dụng nơng nghiệp khác Bảng 1.3: Hàm lượng KLN điển hình loại đá ( g/g) Bảng 1.4: Hàm lượng số kim loại nặng sản phẩm dùng làm phân bón nơng nghiệp (ppm) Bảng 1.5: Ảnh hưởng pH, Eh đất tới khả di động KLN đất Bảng 1.6: Ái lực hấp phụ kim loại nặng hợp phần đất Bảng 1.7: Hàm lượng Pb Cd loại phân bón bán thị trường vùng ĐBSCL Bảng 1.8: Hàm lượng chì (Pb) số mẫu đất mẫu bùn ao Chỉ Đạo - Văn Lâm - Hưng Yên Bảng 1.9: Thành phần hóa học diatomite Bảng 1.10: So sánh số tính chất khả hấp phụ T-PL biến tính với nguồn tro bay khác biến tính phương pháp khác Bảng 1.11: Tro bay từ nhà máy nhiệt điện Việt Nam Bảng 1.12: Lượng tro thải Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại Bảng 1.13: Thành phần hóa học tro bay nước khác Bảng 1.14: So sánh số tính chất khả hấp phụ T-PL biến tính với nguồn tro bay khác biến tính phương pháp khác Bảng 2.1: Tỷ lệ phối trộn đất vật liệu D-HL trước sau biến tính Bảng 2.2: Tỷ lệ phối trộn đất vật liệu T-PL trước sau biến tính Bảng 2.3: Các phương pháp phân tích tính chất lý hóa học diatomite Bảng 2.4: Các phương pháp phân tích tính chất lý hóa học tro bay Bảng 2.5: Mối tương quan RL dạng mơ hình Bảng 3.1: Các tính chất lý hóa học D-HL Bảng 3.2: Các tính chất lý hóa học T-PL Bảng 3.3: Mối quan hệ nồng độ NaOH/Al(OH) với CEC D-HL Bảng 3.4: Mối quan hệ nhiệt độ với CEC vật liệu D-HL Bảng 3.5: Thời gian khuấy từ giá trị CEC vật liệu D-HL Bảng 3.6: Thành phần khoáng vật D-HL trước biến tính Bảng 3.7: Diện tích bề mặt vật liệu D-HL trước sau biến tính Bảng 3.8: Tính chất vật liệu D-HL biến tính Bảng 3.9: Mối quan hệ nồng độ NaOH với CEC T-PL biến tính Bảng 3.10: T-PL biến tính Bảng T-PL biến tính Bảng 3.12: Thành phần khoáng vật T-PL trước sau biến tính Bảng 3.13: Diện tích bề mặt T-PL trước sau biến tính Bảng 3.14: Các tính chất vật liệu T-PL trước sau biến tính Bảng 3.15: Tính chất hóa học đất nhiễm (tầng đất 0-30 cm) Bảng 3.16: Hiệu suất hấp phụ Cd đất đưa vào đất Bảng 3.17: Hiệu suất hấp phụ Pb đất đưa D-HL trước biến tính vào đất Bảng 3.18: Hiệu suất hấp phụ Cd đất đưa D-HL biến tính vào đất Bảng 3.19: Hiệu suất hấp phụ Pb đất đưa D-HL biến tính vào đất Bảng 3.20: Hiệu suất hấp phụ Cd đất đưa vào đất Bảng 3.21: Hiệu suất hấp phụ Pb đất đưa vào đất Bảng 3.22: Hiệu suất hấp phụ Cd đất đưa T-PL biến tính vào đất Bảng 3.23: Hiệu suất hấp phụ Pb đất đưa T-PL biến tính vào đất Bảng 3.25: Nồng độ Cd 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Bảng 3.25: Nồng độ Cd 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 2+ Bảng 3.26: Nồng độ Pb hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 2+ Bảng 3.27: Nồng độ Pb hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Bảng 3.28: Nồng độ Cd 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 118 Bảng 3.29: Nồng độ Cd 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 119 Bảng 3.30: Nồng độ Pb 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 121 Bảng 3.31: Nồng độ Pb 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 122 Bảng 3.32: Nồng độ Cd 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 124 Bảng 3.33: Nồng độ Cd 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 125 Bảng 3.34: Nồng độ Pb 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 126 Bảng 3.35: Nồng độ Pb 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 128 Bảng 3.36: Nồng độ Cd 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 129 Bảng 3.37: Nồng độ Cd 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 130 Bảng 3.38: Nồng độ Pb 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 132 Bảng 3.39: Nồng độ Pb 2+ sau xử lý tính tốn số liệu thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 133 Bảng 3.40: Các thông số động học hấp phụ Pb 2+ 2+ Cd T-PL D-HL biến tính 134 157 + Mối quan hệ nồng độ NaOH với CEC (Cmol /kg) T- PL biến tính Mẫu Lần Lần Lần Trung bình Độ lệch chuẩn Mối tương quan thời gian phản ứng với CEC + (Cmol /kg) T-PL biến tính Mẫu Lần Lần Lần Trung bình Độ lệch chuẩn + Mối tương quan nhiệt độ khuấy từ CEC (Cmol /kg) T-PL biến tính Mẫu Lần Lần Lần Trung bình Độ lệch chuẩn 158 Phụ lục 04: Các số liệu phân tích tính chất lý hóa học diatomite tro bay Số liệu phân tích tính chất lý hóa học diatomite TT Chỉ tiêu pHKCl Dung tích trao đổi (CEC) Thành phần giới: Cấp hạt cát (2-0,02 mm) Cấp hạt limon ( 0,02 – 0,002 mm) Cấp hạt sét (< 0,002 mm) Thành phần hoá học: SiO2 Al2O3 Fe2O3 Số liệu phân tích tính chất lý hóa học tro bay TT Chỉ ti pHK CEC Tỷ trọ SiO Fe2O Al2O CaO MgO SO 10 K2O 11 Na2O 12 13 14 P2O Pb Cu Phụ lục 05: Các số liệu thí nghiệm khả hấp phụ Cd Pb đất Khả hiệu suất hấp phụ Cd môi trường đất diatomite tự nhiên Công thức Mẫu đối chứng Đất + 1% Đất + 2% Đất + 3% Đất + 4% Đất + 5% Khả hiệu suất hấp phụ Cd mơi trường đất diatomite biến tính Cơng thức Mẫu đối chứng Đất + 1% Đất + 2% Đất + 3% Đất + 4% Đất + 5% Khả hiệu suất hấp phụ Pb môi trường đất diatomite tự nhiên Công thức Mẫu đối chứng Đất + 1% Đất + 2% Đất + 3% Đất + 4% Đất + 5% 160 Khả hiệu suất hấp phụ Pb môi trường đất diatomite biến tính Cơng thức Mẫu đối chứng Đất + 1% Đất + 2% Đất + 3% Đất + 4% Đất + 5% Khả hiệu suất hấp phụ Cd môi trường đất tro bay trước biến tính Cơng thức Mẫu đối chứng Đất + 1% Đất + 2% Đất + 3% Đất + 4% Đất + 5% Khả hiệu suất hấp phụ Cd môi trường đất tro tính Cơng thức Mẫu đối chứng Đất + 1% Đất + 2% Đất + 3% Đất + 4% Đất + 5% 161 Khả hiệu suất hấp phụ Pb môi trường đất tro bay trước biến tính Cơng thức Mẫu đối chứng Đất + 1% Đất + 2% Đất + 3% Đất + 4% Đất + 5% Khả hiệu suất hấp phụ Pb mơi trường đất tro tính Cơng thức Mẫu đối chứng Đất + 1% Đất + 2% Đất + 3% Đất + 4% Đất + 5% 162 Phụ lục 04: Các số liệu thí nghiệm khả hấp phụ Cd Pb nước gây ô nhiễm nhân tạo Số liệu thí nghiệm khả hấp phụ Cd 2+ nước diatomite tự nhiên Nồng độ 2+ Cd ban đầu (mg/l) 100 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3600 Số liệu thí nghiệm khả hấp phụ Cd 2+ nước diatomite biến tính Nồng độ Cd ban đầu (mg/l) 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 163 2+ 2+ Số liệu thí nghiệm khả hấp phụ Pb nước diatomite tự nhiên Nồng độ dung dịch 2+ Pb ban đầu (mg/l) 100 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3600 2+ Số liệu thí nghiệm khả hấp phụ Pb nước diatomite biến tính Nồng độ dung 2+ dịch Pb ban đầu 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 164 Số liệu thí nghiệm khả hấp phụ Cd 2+ nước tro bay chưa biến tính Nồng độ 2+ Cd ban đầu (mg/l) 100 300 600 900 1200 1500 Số liệu thí nghiệm khả hấp phụ Cd 2+ nước tro tính Nồng độ Cd ban đầu (mg/l) 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 2+ 165 166 ... KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM ANH HÙNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ TRO BAY ĐỂ HẤP PHỤ Cd VÀ Pb TRONG ĐẤT VÀ NƯỚC Ô NHIỄM CHUYÊN NGÀNH: MÃ SỐ: MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC 6244030 3... diatomite tự nhiên tro bay để hấp phụ Cd Pb đất, nước bị ô nhiễm? ?? thực nhằm nghiên cứu quy trình biến tính để tạo vật liệu có khả hấp phụ cao từ nguồn Tro bay diatomite có sẵn Việt Nam Mục tiêu nghiên. .. nghiên cứu - Nghiên cứu sử dụng diatomite tự nhiên (Hòa Lộc-Phú Yên) Tro bay (Nhà máy nhiệt điện Phả Lại) để tạo vật liệu biến tính có khả hấp phụ cao để xử lý ô nhiễm KLN (Pb, Cd) môi trường đất nước