Nghiên cứu ứng dụng xỉ thải pyrit của công ty supe phốt phát và hóa chất lâm thao làm vật liệu xử lý asen và mangan trong nước ngầm sử dụng làm nước sinh hoạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BẢN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỈ THẢI PYRIT CỦA CƠNG TY SUPE PHỐT PHÁT VÀ HĨA CHẤT LÂM THAO LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ ASEN VÀ MANGAN TRONG NƢỚC NGẦM SỬ DỤNG LÀM NƢỚC SINH HOẠT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Hồng Côn Học viên: Nguyễn Thanh Huyền Hà Nội- 2011 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng – TỔNG QUAN 1.1 Asen (As) 1.1.1 Nguyên tố asen dạng tồn asen tự nhiên 1.1.2 Độc tính asen tích lũy thể người 10 1.1.3 Ô nhiễm asen nước ngầm giới Việt Nam 12 1.2 Các phƣơng pháp phân tích asen .17 1.2.1 Xác định asen phương pháp bạc đietyl đithiocacbamat 17 1.2.2 Phương pháp khối phổ plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS) 17 1.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) .18 1.2.4 Phương pháp thuỷ ngân bromua 20 1.3 Mangan (Mn) 20 1.3.1 Dạng tồn mangan tự nhiên 20 1.3.2 Một số tính chất mangan 21 1.3.3 Độc tính mangan .25 1.3.4 Dạng phát thải mangan vào môi trường 25 1.3.5 Vai trò mangan 25 1.4 Các phƣơng pháp xác định mangan 27 1.4.1 Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử AES 27 1.4.2 Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử AAS 27 1.4.3 Phương pháp phân tích cực phổ xung thường .28 1.4.4 Phương pháp trắc quang (Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UVVIS) .28 1.5 Lý thuyết trình hấp phụ 30 1.5.1 Hấp phụ vật lý hấp phụ hoá học .30 1.5.2 Cân hấp phụ tải trọng hấp phụ 30 1.5.3 Phương trình động học hấp phụ 32 1.5.4 Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt 32 1.5.5 Ảnh hưởng yếu tố đến trình hấp phụ .35 1.5.6 Quá trình hấp phụ động cột (Continuous flow sorption) 35 1.6 Các phƣơng pháp vật lý xác định đặc trƣng vật liệu 37 1.6.1 Nhiễu xạ Rơnghen (X- ray diffaction - XRD) .37 1.6.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 38 1.6.3 Phương pháp hóa lý .39 Chƣơng - PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 41 2.1 Dụng cụ hóa chất .41 2.1.1 Dụng cụ 41 2.1.2 Hóa chất 41 2.2 Ý tƣởng đề tài 42 2.3 Chế tạo vật liệu hấp phụ từ nguồn nguyên liệu ban đầu 43 2.3.1 Vật liệu M1 .44 2.3.2 Vật liệu M2 .44 2.4 Xác định asen phƣơng pháp HgBr2 44 2.4.1 Nguyên tắc phân tích .44 2.4.2 Quy trình phân tích 44 2.4.3 Xây dựng đường chuẩn 45 2.5 Xác định mangan phƣơng pháp trắc quang 47 2.5.1 Nguyên tắc phân tích 47 2.5.2 Quy trình phân tích 47 2.5.3 Xây dựng đường chuẩn 47 2.6 Nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu ion As Mn dung dịch 49 2.6.1 Khảo sát khả hấp phụ asen vật liệu 49 2.6.2 Khảo sát khả hấp phụ magan vật liệu 49 2.6.3 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ .49 2.6.4 Xác định tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu hấp phụ 50 2.6.5 Khảo sát khả hấp phụ As, Mn phương pháp hấp phụ động cột 50 Chƣơng III - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 3.1 Thành phần cấu trúc xỉ pyrit ban đầu 51 3.2 Khảo sát đánh giá hàm lƣợng asen mangan mẫu xỉ 51 3.3 Khảo sát đánh giá hàm lƣợng Mn, As nƣớc đọng nƣớc chảy từ bãi xỉ 53 3.4 Quy trình hoạt hố .55 3.5 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu 58 3.5.1 Nghiên cứu cấu trúc bề mặt vật liệu (SEM) 58 3.5.2 Dạng thù hình vật liệu 62 3.6 Nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu 63 3.6.1 Kiểm tra vật liệu cịn chứa As Mn khơng 63 3.6.2 Đánh giá sơ khả hấp phụ As vật liệu 63 3.6.3 Khảo sát thời gian cân hấp phụ asen vật liệu .63 3.6.4 Khảo sát phương trình hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu .66 3.6.5 Khảo sát khả hấp phụ động vật liệu 68 3.7 Khảo sát khả hấp phụ Mn2+ vật liệu 69 3.7.1 Khảo sát thời gian cân hấp phụ Mn2+ vật liệu .69 3.7.2 Khảo sát phương trình hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu .70 3.8 Đánh giá khả xử lý mẫu nƣớc thực vật liệu 72 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Hàm lượng asen vùng khác giới Bảng 1.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chiều dài vùng chuyển khối cách làm hạn chế hiệu ứng chúng Bảng 2.1 Đường chuẩn xác định asen vùng nồng độ thấp Bảng 2.2: Đường chuẩn xác định asen vùng nồng độ cao 2+ 10 33 42 43 Bảng 2.3 Số liệu pha dãy dung dịch chuẩn Mn từ dung dịch chuẩn có nồng độ 100mg/l Bảng 2.4 Dữ liệu xây dựng đường chuẩn mangan 44 Bảng 3.1 Hàm lượng Mn mẫu xỉ pyrit 48 Bảng 3.2 Hàm lượng As mẫu xỉ pyrit 49 Bảng 3.3 Kết phân tích asen nguồn phát thải Bảng 50 3.4 Kết phân tích mangan bãi xỉ Bảng 3.5 Khảo 51 sát khả hấp phụ vật liệu Bảng 3.6 Thời gian cân 60 hấp phụ vật liệu M1 Bảng 3.7 Thời gian cân 61 hấp phụ vật liệu M2 Bảng 3.8 Các giá trị đường 62 cong hấp phụ vật liệu M1 63 Bảng 3.9 Sự phụ thuộc nồng độ asen theo thể tích dung dịch qua 65 cột Bảng 3.10 Thời gian cân hấp phụ vật liệu M1 Bảng 66 3.11 Các giá trị đường cong hấp phụ vật liệu M1 68 Bảng 3.12 Bảng kết khảo sát hàm lượng As nước mặt xung quanh khu vực bãi xỉ Bảng 3.13 Sự phụ thuộc nồng độ asen theo thể tích dung dịch qua cột 69 45 70 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Ảnh hưởng pH đến dạng tồn Asen Hình 1.2 Đồ thị ảnh hưởng pH/Eh đến dạng tồn asen Hình 1.3 Bệnh ung thư da asen gây Hình 1.4 Bản đồ phân bố khu vực nhiễm asen giới Hình 1.5 Ô nhiễm asen Việt Nam Hình 1.6 Ô nhiễm asen đồng châu thổ sơng Hồng Hình 1.7 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Hình 1.8 Sự phụ thuộc Cl/Cs vào Cl Hình 1.9 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Hình 1.10 Sự phụ thuộc lgCs vào lgCl Hình 1.11 Mơ hình cột hấp phụ Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét Hình 2.1 Hình ảnh bãi xỉ pyrit Hình 2.2 Sơ đồ dụng cụ phân tích asen theo phương pháp HgBr2 Hình 2.3 Đường chuẩn xác định asen từ 10-80 ppb Hình 2.4 Đường chuẩn xác định asen từ 100-900 ppb Hình 2.5 Đồ thị đường chuẩn phân tích Mn 2+ Hình 2.6 Thiết bị hấp phụ Hình 3.1 Dạng thù hình vật liệu đầu Hình 3.2 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng mangan mẫu xỉ pyrit Hình 3.3 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng As mẫu xỉ pyrit Hình 3.4 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng As nước từ bãi xỉ Hình 3.5 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng As nước thải từ bãi xỉ Hình 3.6 Biểu đồ khảo sát hàm lượng Mangan bãi xỉ Hình 3.7 Xử lý xỉ axit Hình 3.8 Kết tủa sắt hiđrixit bề mặt xỉ pyrit Hình 3.9 Hình ảnh bề mặt vật liệu vật liệu M1 Hình 3.10 Hình ảnh bề mặt vật liệu vật liệu M1 Hình 3.11 Hình ảnh bề mặt vật liệu vật liệu M1 Hình 3.12 Hình ảnh bề mặt vật liệu vật liệu M2 Hình 3.13 Hình ảnh bề mặt vật liệu vật liệu M2 Hình 3.14 Hình ảnh bề mặt vật liệu vật liệu M2 Hình 3.15 Dạng thù hình vật liệu M1 Hình 3.16 Dạng thù hình vật liệu M2 Hình 3.17 Sự phụ thuộc nồng độ hấp phụ vào thời gian Hình 3.18 Đồ thị hiệu suất hấp phụ asen theo thời gian Hinh 3.19 Đồ thị hiệu suất asen theo thời gian Hình 3.20 Đường cong hấp phụ asen vật liệu M1 Hình 3.21 Đường xác định tải trọng asen vật liệu M1 Hình 3.22 Sự phụ thuộc asen đầu vào thể tích dung dịch qua cột Hình 3.23 Sự phụ thuộc nồng độ As vào thời gian Hình 3.24 Đồ thị hiệu suất hấp phụ As theo thời gian Hình 3.25 Đường cong hấp phụ mangan vật liệu 2+ Hình 3.26 Đồ thị xác định tải trọng Mn vật liệu M1 Hình 3.27 Biểu đồ khảo sát hàm lượng asen nước mặt xung quanh khu vực bãi xỉ Hình 3.28 Sự phụ thuộc asen đầu vào thể tích dung dịch qua cột MỞ ĐẦU Trong thập kỷ gần tình trạng nhiễm mơi trường trở thành vấn đề nóng bỏng nhiều người, nhiều tổ chức, nhiều quốc gia quan tâm Chính việc bảo vệ môi trường sống trái đất nhiệm vụ đặt hàng đầu nhân loại Đối với quốc gia, việc phát triển kinh tế không tách rời việc bảo vệ môi trường sống Nếu tập trung khai thác, sử dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên cho phát triển kinh tế đời sống xã hội gây cân sinh thái, cạn kiệt tài nguyên, bệnh tật, lũ lụt, hạn hán, phá huỷ mơi trường sống Về lâu dài chi phí để khắc phục hậu ô nhiễm môi trường lớn lợi ích kinh tế mà chúng đem lại Sự phát triển kinh tế xã hội gắn liền với phát triển công nghiệp Tuy nhiên, với phát triển nhanh chóng khu cơng nghiệp q trình thị hố nguồn nước ngày bị nhiễm bẩn loại chất thải khác Nước thải từ nguồn sinh hoạt, dịch vụ, chế biến thực phẩm cơng nghiệp có chứa nhiều chất ô nhiễm, bao gồm chất ô nhiễm dạng hữu cơ, vô cơ, vi sinh vào nguồn nước gây nhiễm nước Kiểm sốt nguồn nước thải công việc cần thiết nhằm giảm thiểu ô nhiễm nước thải Đặc biệt kim loại nặng asen mangan cần phải kiểm soát chặt chẽ nơi phát sinh nước thải trước thải vào nguồn tiếp nhận Hàm lượng vượt mức cho phép kim loại thành phần xỉ thải pyrit nhà máy Supe phốt phát hóa chất Lâm Thao tác nhân gây ô mhiễm môi trường nghiêm trọng Do việc xử lý kim loại nặng asen mangan nước thải quan trọng Đã có nhiều cơng trình khoa học nghiên cứu asen mangan phương pháp xử lý chúng môi trường, phương pháp kết tủa, phương pháp thẩm thấu ngược hay phương pháp điện thẩm tách Các phương pháp thường tốn gây lượng bùn thải lớn Những năm gần đây, phương pháp sử dụng vật liệu hấp phụ ý nhiều giới So với phương pháp khác phương pháp có ưu điểm ngun liệu rẻ tiền, sẵn có, khơng đưa thêm vào nước thải tác nhân độc hại Luận văn tập trung nghiên cứu khả tách loại asen mangan vật liệu hấp phụ sử dụng xỉ thải pyrit sau hoạt hóa Chƣơng – TỔNG QUAN 1.1 Asen (As) 1.1.1 Nguyên tố asen dạng tồn asen tự nhiên Asen (ký hiệu As) có số nguyên tử 33, nguyên tố phổ biến thứ 12 -4 vỏ trái đất chiếm 1.10 % tổng số nguyên tử vỏ trái đất, khối lượng nguyên tử 74,92; tồn chủ yếu dạng asen Asen có khống vật sunfua: reanga (As4S4), oripimen (As2S3) Nguyên tố asen có vài dạng thù hình, dạng kim loại dạng khơng kim loại Dạng không kim loại asen tạo nên làm ngưng tụ nó, asen có màu vàng, dạng kim loại asen có màu trắng bạc [1] Tùy theo điều kiện môi trường mà asen tồn nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau: -3, 0, +3,+5 Trong nước tự nhiên, asen tồn chủ yếu dạng hợp chất vô asenat [As(V)], asenit [As(III)] As(V) dạng tồn chủ yếu asen nước bề mặt As(III) dạng chủ yếu asen nước ngầm Dạng 3- 2- - As(V) hay arsenate gồm AsO4 , HAsO4 , H2AsO4 , H3AsO4; dạng As(III) - hay arsenit gồm H3AsO3, H2AsO3 , HAsO3 2- 3- AsO3 Asen tồn nhiều dạng hợp chất hữu như: metylasonic, đimetylasinic Các dạng tồn asen nước phụ thuộc vào pH oxi hố khử E h mơi trường Ảnh hưởng pH hình 1.1 hình 1.2 [23] Hình 1.1: Ảnh hưởng pH đến dạng tồn asen Thế ơxi hóa khử pH yếu tố định đến dạng tồn asen - môi trường Ở điều kiện ôxi hóa, pH thấp (nhỏ 6,9) dạng H2AsO4 3.6.5 Khảo sát khả hấp phụ động vật liệu Từ kết hấp phụ tĩnh vật liệu trên, ta thất vật liệu M có tải trọng hấp phụ cực đại Cm = 20,12 mg/g cao Nên ta chọn vật liệu để hấp phụ động Tiến hành: Chuẩn bị dung dịch asen có nồng độ 200 ppb, cho 10 g vật liệu vào cột hấp phụ Cho dung dịch asen chảy qua cột với tốc độ 2ml/phút Sau 50 ml ta lại đem đo dung dịch đầu lần Bảng 3.9: Sự phụ thuộc nồng độ asen theo thể tích dung dịch qua cột V(ml) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 68 Nồng độ đầu (ppb) 250 200 150 100 50 -50 Hình 3.22: Sự phụ thuộc asen đầu vào thể tích dung dịch qua cột Từ bảng ta thấy sau 1300 ml nồng độ asen đầu đo