Nghiên cứu ứng dụng sét Kaolin làm vật liệu hấp phụ Mangan trong nước

Bài viết trên cơ sở nghiên cứu trước đây của Từ Thị Cẩm Loan và cộng sự (2018) cho thấy sét kaolin tự nhiên tại mỏ sét kaolin Đất Cuốc có khả năng hấp phụ ion Mn2+ trong nước. Tuy nhiên nếu sử dụng sét kaolin ở dạng bột thì nước sau xử lý xuất hiện nhiều huyền phù, không an toàn sức khỏe cho người sử dụng. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn ứng dụng sét Kaolin làm vật liệu hấp phụ Mangan trong nước.

Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.000101 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SÉT KAOLIN LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ MANGAN TRONG NƯỚC Từ Thị Cẩm Loan1, Hoàng Thị Thanh Thủy1, Hà Thị Thu Trang1, Helen Fournet2 Trường Đại học Tài ngun Mơi trường thành phố Hồ Chí Minh Email: ttcloan@hcmunre.edu.vn Loyola University Chicago TÓM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu đánh giá khả sử dụng sét kaolin làm vật liệu hấp phụ Mn2+ Sét kaolin mỏ Đất Cuốc, huyện Bắc Tân Uyên, tỉnh Bình Dương sau định hình dạng chén nung nhiệt độ 900 oC Hiệu hấp phụ cao (84,5 %) với nồng Mn2+ đầu vào 5,0±0,5 mg/L Tuy nhiên lưu lượng hấp phụ thấp (2,08ml/giờ/100g) Bổ sung vỏ trấu với tỷ lệ sét kaolin vỏ trấu (75:25%) hiệu hấp phụ tương đối cao (84 %) lưu lượng hấp phụ tăng gấp 32 lần so với sử dụng sét kaolin nguyên thủy (66,7 ml/giờ/100 g) Sự gia tăng hiệu hấp phụ mơ hình giải thích vỏ trấu sau nung tạo thành hỗn hợp SiO2 cacbon vơ định hình có cấu trúc xốp nên làm tăng khoảng trống cho khối vật liệu hấp phụ Do đó, kết hợp sét kaolin vỏ trấu chế tạo vật liệu thân thiện với môi trường giá thành thấp để xử lý nước đất bị nhiễm Mn2+ Từ khóa: Sét kaolin, vỏ trấu, mangan, vật liệu lọc, nước đất GIỚI THIỆU Tại Việt Nam, nước sinh hoạt lấy từ nguồn nước mặt nước đất Trong nước đất cung cấp cho sinh hoạt đô thị chiếm 40 % 70-80 % nơng thơn Mangan có mặt 100 loại khống khác Thơng qua q trình rửa trơi, phong hóa đất đá hoạt động người Mn tích tụ nguồn nước khác ao, hồ sông, suối, biển… gọi chung nước bề mặt từ nước bề mặt mangan ngấm vào mạch nước lòng đất mà ta gọi nước ngầm Trên sở nghiên cứu trước Từ Thị Cẩm Loan cộng (2018) cho thấy sét kaolin tự nhiên mỏ sét kaolin Đất Cuốc có khả hấp phụ ion Mn2+ nước Tuy nhiên sử dụng sét kaolin dạng bột nước sau xử lý xuất nhiều huyền phù, khơng an tồn sức khỏe cho người sử dụng Để khắc phục nhược điểm này, nghiên cứu chế tạo sét kaolin thành vật liệu hấp phụ dạng khối triển khai.Tuy nhiên, chế tạo vật liệu hấp phụ có thành phần sét nguyên thủy có hạn chế lưu lượng hấp phụ chậm Chính vậy, theo nghiên cứu trước đây, cần bổ sung thêm phụ gia để gia tăng lưu lượng hấp phụ Trong phế phẩm nơng nghiệp vỏ trấu vật liệu hấp phụ có khả tăng khoảng cách lỗ rỗng gia nhiệt bên cạnh giá thành lại thấp (Trương Phương Linh, 2017) nên lựa chọn để thử nghiệm kết hợp với sét kaolin Do đó, mục tiêu nghiên cứu 1) xác định nhiệt độ nung tối ưu để tạo khối vật liệu lọc 2) khảo sát hiệu hấp phụ Mn sét nguyên thủy bổ sung vỏ trấu PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu Mẫu nước thí nghiệm: Mẫu nước thực nghiệm chuẩn bị từ muối MnSO4.H2O 99 % (Scharlau, Tây Ban Nha) pha nước giếng lấy Trường Đại học Tài ngun Mơi trường TP HCM có nồng độ Mn2+ khoảng 5,0±0,5 mg/L điều chỉnh đến pH: 6,0-7,0 (điều kiện pH sét kaolin hấp phụ tốt nhất) Chế tạo vật liệu hấp phụ: Quá trình tạo vật liệu hấp phụ gồm bốn bước sau: 124 Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” Chuẩn bị vật liệu hấp phụ: Sét kaolin công ty KT&CBKS Tân Uyên FICO qua chế biến vỏ trấu cơng ty TNHH Hịa Kiến Nhân cho qua rây với kích thước lỗ rây 0,25mm Tạo hình: 100g sét kaolin (hoặc hỗn hợp sét vỏ trấu) nhào trộn với nước cất để vật liệu kết dính Sau đó, nặn thành hình phễu phù hợp với chén sứ (Hình 1) Trước tạo hình, chén sứ phủ lớp vaseline để sau cho bay nước hoàn tồn dễ dàng tách phễu lọc khỏi chén sứ Bay nước: Để ngăn ngừa sản phẩm bị rạn nứt sau nung, vật liệu hấp phụ bay nước theo nhiệt độ tăng dần Nung vật liệu lọc: Sau cho bay nước hoàn, vật liệu hấp phụ nung lò nung WiseTherm, Korea đến nhiệt độ khảo sát Tốc độ gia nhiệt tăng dần 100 oC ứng với khoảng nhiệt độ giữ 10 phút 2.2 Thiết kế thí nghiệm Thí nghiệm triển khai theo giai đoạn sau: Khảo sát nhiệt độ nung tối ưu: Trên sở nghiên cứu Kendrto D.R (2019) Eehuanga E (2014) cho thấy nhiệt độ nung tối ưu sét kaolin làm vật liệu lọc tương ứng 850-900 oC 950-1.000 oC Do đó, thí nghiệm khảo sát nhiệt độ nung tối ưu thực với năm khoảng nhiệt độ (800, 900, 1.000, 1.100 1.1500C), thời gian nung sau cho bay nước hoàn toàn Cơ sở lựa chọn nhiệt độ nung tối ưu dựa hiệu loại Mn2+ lưu lượng hấp phụ cao Khảo sát hiệu hấp phụ Mn: Các thí nghiệm hấp phụ triển khai với tỷ lệ sét vỏ trấu sau: TN1 (100:0), TN2 (90:10), TN3 (80:20), TN4 (75:25) TN5: (50:50)% Cơ sở lựa chọn vật liệu hấp phụ tối ưu dựa vào hiệu loại bỏ Mn2+ cao nhất, lưu lượng hấp phụ tính kinh tế (chi phí) Hiệu hấp phụ Mn2+: Cơng thức tính toán hiệu hấp phụ Mn2+ sau: Cv Cr (1) H (%) *100% Cv Trong đó: Cv: Nồng độ ion Mn2+ mẫu đầu vào (mg/L); Cr: Nồng độ ion Mn2+ mẫu sau hấp phụ (mg/L) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tạo hình vật liệu hấp phụ Giai đoạn tạo hình bay nước vật liệu hấp phụ trước đưa vào lò nung giai đoạn quan trọng Nếu vật liệu khơng bay nước hồn tồn hay nhiệt độ tăng nhanh đột ngột làm sản phẩm sau nung dễ bị nứt (Hình 1a) Sau thử nghiệm nhiều chế độ gia nhiệt khác (sản phẩm sau tạo hình cho bay nước 100 oC khơng qua giai đoạn 50 oC qua giai đoạn 50 oC giữ khoảng 2-3 giờ) cho thấy thực qua hai giai đoạn: (i) 50 oC giữ khoảng 4-5 giờ; (ii) bay nước hoàn toàn 100 oC kéo dài 12 vật liệu hấp phụ định hình tốt khơng bị nứt (Hình 1b) Bên cạnh đó, vật liệu sau cho bay nước hoàn toàn đưa vào lò nung cài nhiệt độ nung yêu cầu dẫn đến sản phẩm sau nung bị nứt (Hình 1a) 125 Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 (a) (b) Hình 1: Vật liệu lọc sau nung 3.2 Khảo sát nhiệt độ nung tối ưu Kết nghiên cứu nhiệt độ nung tối ưu với vật liệu lọc sét nguyên thủy cho thấy nhiệt độ nung tăng tương ứng 800; 900; 1.000 đến 1.150oC hiệu hấp phụ Mn2+ (H%) tăng (71,83; 84,50; 85,21 đến 86,08 %) Nhưng nhiệt độ tăng đến 1.150 C H% giảm mạnh (41,14 %) (Hình 2a) Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu trước cho thấy nhiệt độ nung sét hấp phụ tối ưu khoảng nhiệt độ: 850–1.000 oC (Eehuanga E., 2014; Kendrto, 2019) Khi nhiệt độ nung tăng tương ứng 800; 900; 1.000 đến 1.150 oC lưu lượng tăng đạt giá trị cao (13,33ml/giờ) nên thời gian tiếp xúc Mn2+ nước vật liệu hấp phụ ngắn dẫn đến hiệu giảm Nghiên cứu trước cho thấy thời gian hấp phụ tối ưu sét kaolin 90 phút (Từ Thị Cẩm Loan, 2018) Vậy nhiệt độ nung tối ưu lựa chọn 900-1.100 oC 71.83 60 10 6.67 1.87 41.14 40 20 2.08 ,900 1,000 1,100 Lưu… 1,150 ( 85.2 85.65 100 116.67 78.8 80 84.04 100 60 66.67 50 50 0 ,800 84.5 H(%) 100 13.33 80 H(%) Lưu lượng (ml/ giờ) 10 86.08 85.21 84.5 Lưu lượng (ml/ giờ) 15 40 20 2.08 TN1 8.33 TN2 (a) TN3 TN4 TN5 Lưu… (b) Hình Kết khảo sát nhiệt độ nung tối ưu hiệu xử lý mơ hình thí nghiệm 3.3 Khảo sát hiệu hấp phụ mơ hình thí nghiệm Sau lựa chọn nhiệt độ nung tối ưu (900-1.100 oC), nghiên cứu khảo sát hiệu hấp phụ mơ hình với tỷ lệ sét vỏ trấu khác Ở trường hợp TN1- sét nguyên thủy (100 % sét kaolin), hiệu hấp phụ đạt cao 84,5 % lưu lượng hấp phụ nước chậm (2,08 ml/giờ/100g sét kaolin) Khi bổ sung vỏ trấu, lưu lượng hấp phụ tăng nhanh (Hình 2b) Ở TN (tỷ lệ 50:50%), lưu lượng hấp phụ đạt giá trị cực đại nhanh gấp 1,75 lần so với TN4 (75:25 %) H% lại giảm (78,8 %) Theo nghiên cứu trước cho thấy nung nhiệt độ 600 o C, chất hữu vỏ trấu bị cháy hoàn toàn tạo thành hỗn hợp SiO2 cacbon vơ định hình có cấu trúc xốp, rỗng tạo khoảng trống lớn (Trương Phương Linh, 2017) Và đó, lượng vỏ trấu sử dụng nhiều nhiệt độ nung cao dẫn đến khả làm giảm hiệu hấp phụ sét kaolin Như vậy, bổ sung vỏ trấu với tỷ lệ 20-25 % nung 900 oC, hiệu suất hấp phụ không chênh lệch nhiều (85,2-84 %) lưu lượng cao (tương ứng: 3,1- 4,1L/giờ/6,2Kg) tương đương so với sản phẩm cơng ty Hưng Thịnh (2-4 L/giờ/6,2Kg đất sét) Chính vậy, đánh giá kinh tế, TN4 mô hình tối ưu (tỷ lệ sét vỏ trấu 75:25) giá thành vỏ trấu thấp (240 đ/Kg) so với sét kaolin (10.000 đ/Kg) 126 Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” KẾT LUẬN Kết nghiên cứu cho thấy mơ hình sét ngun thủy (100 % sét kaolin) có hiệu hấp phụ Mn2+ tối ưu (84,5 %) lưu lượng hấp phụ thấp Nếu kết hợp sét kaolin vỏ trấu tỷ lệ 75:25 (%) mơ hình đạt hiệu hấp phụ tối ưu (H%: 84 %) lưu lượng tăng gấp 10 lần (66,7ml/giờ/100g vật liệu hấp phụ) Do đó, kết hợp sét kaolin vỏ trấu để chế tạo vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường chi phí thấp để loại bỏ Mn nước đất, bảo vệ sức khỏe cộng đồng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Eehuanga E Devolopment of Ceramic Filters of Household Water Treatment in Nigeria (2014) Art and Design, 1, 6-10 [2] Kendrto D.R (2019) Effectiveness of Ceramic water Filter Pots with Addition of Silever Nitrate to reduce of Escherichia Coli Contents Universitas Padjadjaran, 9(2), 526-531 [3] Từ Thị Cẩm Loan, Hoàng Thị Thanh Thủy, Trần Thị Phương Dung, Lê Quang Luật, Trịnh Hồng Phương, Lê Thị Thùy Dương (2018) Đề tài KHCN cấp sở “Nghiên cứu sử dụng sét kaolin khu vực miền Đông Nam Bộ làm vật liệu hấp phụ xử lý ô nhiễm nước đất” [4] Trương Phương Linh (2017) Tổng hợp vật liệu lọc từ vỏ trấu ứng dụng xử lý nước thải trường đại học Cửu Long Tạp chí đại học Cửu Long, 64-73 STUDY ON THE APPLICATION OF KAOLINITE AS A SORBENT TO REMOVE MANGANESE FROM THE WATER Loan Cam Thi Tu1, Thuy Thanh Thi Hoang1, Trang Thu Thi Ha1, Helen Fournet2 Ho Chi Minh City University of Natural Resources and Environment Email: ttcloan@hcmunre.edu.vn Loyola University Chicago ABSTRACT This paper presents the study on assessment of manganese sorption capacity of local kaolinite clay The kaolinite clay collected from Datcuoc mine, North Tanuyen district, Binh Duong province were formed into small pot and heating to 900 oC The sorption capacity increased up to 84.5 % for input Mn2+ concentration of 5.0±0.5 mg/L However, the sorption volume was relative low 2.08 ml/hr/100g) The mixture of clay and rice husk (ratio 75:25 % weight) showed relative high sorption capacity (84 %) and 32 times higher sorption volume (66.7 ml/hr/100g It could be explained with the increasing pore spaces in adsorbent material since rice husk have been transformed to a mixture of SiO2 and amorphous carbon, which has highly porous structure Thus, a mixture of kaolinite clay and rice husk could offer an environmental and cost effectively sorbents to decontaminate Mn2+ contaminated groundwater Key words: Kaolin clay, rice hush, mangan, adsorbent material, groundwater 127 ... cấp sở ? ?Nghiên cứu sử dụng sét kaolin khu vực miền Đông Nam Bộ làm vật liệu hấp phụ xử lý ô nhiễm nước đất” [4] Trương Phương Linh (2017) Tổng hợp vật liệu lọc từ vỏ trấu ứng dụng xử lý nước thải... mẫu sau hấp phụ (mg/L) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tạo hình vật liệu hấp phụ Giai đoạn tạo hình bay nước vật liệu hấp phụ trước đưa vào lò nung giai đoạn quan trọng Nếu vật liệu khơng bay nước hồn... cao (13,33ml/giờ) nên thời gian tiếp xúc Mn2+ nước vật liệu hấp phụ ngắn dẫn đến hiệu giảm Nghiên cứu trước cho thấy thời gian hấp phụ tối ưu sét kaolin 90 phút (Từ Thị Cẩm Loan, 2018) Vậy nhiệt