(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nước của bùn thải khu chế biến sắt bản cuôn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ HẢI NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC CỦA BÙN THẢI KHU CHẾ BIẾN SẮT BẢN CUÔN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ HẢI NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC CỦA BÙN THẢI KHU CHẾ BIẾN SẮT BẢN CUÔN Chuyên ngành: Địa chất mơi trƣờng Mã số: Chƣơng trình đào thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ HOÀNG HÀ XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG Giáo viên hướng dẫn Chủ tịch hội đồng chấm luận văn thạc sĩ khoa học TS Nguyễn Thị Hoàng Hà PGS.TS Hoàng Thị Minh Thảo Hà Nội - 2017 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn mình, TS Nguyễn Thị Hồng Hà người truyền cho tơi tri thức, niềm đam mê khoa học ln tận tình hướng dẫn, bảo tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Khoa Địa chất, Trung tâm Nghiên cứu Biển Đảo, Phịng thí nghiệm trọng điểm Địa mơi trường Ứng phó biến đổi khí hậu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất, trợ giúp tơi nhiều để tơi hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn Đề tài “Nghiên cứu, áp dụng cơng nghệ tích hợp địa mơi trường - địa sinh thái nhằm ngăn ngừa, xử lý ô nhiễm môi trường nước số điểm lưu vực sông vùng Tây Bắc” (Mã số KHCN-TB.02C/13-18) thuộc Chương trình Khoa học Cơng nghệ trọng điểm cấp Nhà nước giai đoạn 2013-2018 “Khoa học Công nghệ phục vụ phát triển bền vững vùng Tây Bắc” cho phép sử dụng thông tin, liệu kết nghiên cứu đề tài để thực luận văn Cuối xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân bạn bè tin tưởng động viên, chia sẻ tiếp sức cho tơi có thêm nghị lực để tơi vững bước vượt qua khó khăn suốt thời gian qua để hồn thiện luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Hải i MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Ơ nhiễm kim loại nặng mơi trường nước 1.2 Một số phương pháp loại bỏ kim loại nặng môi trường nước 1.2.1 Phương pháp kết tủa 1.2.2 Phương pháp trao đổi ion 1.2.3 Phương pháp keo tụ - tủa 1.2.4 Phương pháp màng lọc 1.2.5 Phương pháp sử dụng thực vật 1.3 Phương pháp hấp phụ 11 1.3.1 Cơ chế phương pháp 11 1.3.2 Cân hấp phụ dung lượng hấp phụ 13 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng 14 1.3.4 Mơ hình hấp phụ 15 1.4 Vật liệu hấp phụ 18 1.4.1 Một số nhóm khống vật điển hình 18 1.4.2 Tình hình sử dụng vật liệu hấp phụ giới Việt Nam 20 1.5 Giới thiệu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 26 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Phương pháp kế thừa, tổng hợp tài liệu 28 2.2 Phương pháp khảo sát thực địa lấy mẫu 28 2.3 Thí nghiệm đánh giá khả hấp phụ kim loại nặng bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 29 2.3.1 Hóa chất 29 2.3.2 Thí nghiệm xác định điểm điện tích khơng pHPZC 29 2.3.3 Thí nghiệm ảnh hưởng pH tới khả hấp phụ kim loại nặng 30 2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng hạt vật liệu đến khả hấp phụ kim loại nặng 30 2.3.5 Thí nghiệm ảnh hưởng thời gian tiếp xúc tới khả hấp phụ kim loại nặng 31 2.3.6 Thí nghiệm ảnh hưởng nồng độ tới khả hấp phụ kim loại nặng 31 ii 2.4 Phương pháp xử lý phân tích mẫu 32 2.4.1 Nhóm phương pháp xác định đặc trưng khả hấp phụ vật liệu 32 2.4.2 Phương pháp xác định hàm lượng kim loại nặng nước vật liệu 32 2.5 Xử lý số liệu phân tích 34 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Đặc trưng khả hấp phụ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cn 35 3.1.1 Thành phần khống vật 35 3.1.2 Thành phần nguyên tố 36 3.1.3 Hình thái vật liệu 37 3.1.4 Nhóm chức hoạt động bề mặt (FTIR) 37 3.1.5 Diện tích bề mặt điện tích bề mặt 39 3.1.6 Điểm điện tích khơng pHPZC 39 3.2 Khả hấp phụ kim loại nặng bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 40 3.2.1 Ảnh hưởng pH tới khả hấp phụ kim loại nặng 40 3.2.2 Ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng vật liệu tới khả hấp phụ kim loại nặng 41 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian tiếp xúc tới khả hấp phụ kim loại nặng 43 3.2.4 Ảnh hưởng nồng độ kim loại ban đầu tới khả hấp phụ kim loại nặng 44 3.2.5 Động học hấp phụ 45 3.2.6 Đẳng nhiệt hấp phụ 48 3.3 Cơ chế hấp phụ kim loại nặng bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 51 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 65 iii DANH MỤC HÌNH Hình Lấy mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn, Bắc Kạn 28 Hình Mẫu bùn thải khu chế biến sắt sau nghiền mịn 28 Hình Quy trình phá mẫu vật liệu 33 Hình Một số hình ảnh thí nghiệm 34 Hình Kết đo XRD mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 36 Hình Ảnh SEM bùn thải khu chế biến sắt Bản Cn 37 Hình Phổ FTIR vật liệu hấp phụ SBC2-BR 38 Hình Điểm điện tích khơng pHPZC SBC2-BR 40 Hình Ảnh hưởng pH tới hiệu suất hấp phụ KLN SBC2-BR 41 Hình 10 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn tới khả hấp phụ Mn, Zn, Pb As 42 Hình 11 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ tới khả hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb As bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 43 Hình 12 Ảnh hưởng nồng độ kim loại ban đầu Mn, Zn, Cd, Pb As tới khả hấp phụ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 44 Hình 13 Phương trình động học hấp phụ bậc SBC2-BR với Mn, Zn, Cd, Pb As 47 Hình 14 Phương trình động học hấp phụ bậc hai SBC2-BR với Mn, Zn, Cd, Pb As 47 Hình 15 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính q trình hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb, As lên SBC2-BR 50 Hình 16 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính q trình hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb, As lên SBC2-BR 50 Hình 17 So sánh lượng kim loại giảm dung dịch lượng kim loại tăng lên vật liệu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 53 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Một số phương pháp xử lý nước, nước thải 10 Bảng 2: Thống kê số mẫu xử lý phân tích 33 Bảng 3: Thành phần khoáng vật bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 35 Bảng 4: Thành phần hóa học bùn thải khu chế biến sắt Bản Cn 36 Bảng 5: Nhóm hoạt động bề mặt bùn thải khu chế biến sắt Bản Cn 38 Bảng 6: Mơ hình động học hấp phụ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cn 47 Bảng 7: Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 50 Bảng So sánh khả hấp phụ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn số vật liệu khác 54 v MỞ ĐẦU Ơ nhiễm mơi trường nước kim loại nặng (KLN) vấn đề xã hội nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Bên cạnh q trình tự nhiên, hoạt động cơng nghiệp, hoạt động khai thác, chế biến khống sản, nơng nghiệp xem nguồn gốc gây phát tán KLN vào mơi trường Sự có mặt KLN (Pb, Cd, As, Zn, Mn…) môi trường nước với hàm lượng vượt giới hạn cho phép tác nhân tiềm ẩn ảnh hưởng tiêu cực tới hệ sinh thái sức khỏe người Hiện nay, nhiều công nghệ phương pháp nghiên cứu triển khai nhằm xử lý ion KLN nước gồm phương pháp hấp phụ (Lin Wu, 2011), phương pháp trao đổi ion (Kim Benjamin, 2004), phương pháp keo tụ tạo (Hering nnk, 1997), phương pháp màng lọc (Fang nnk, 2017), phương pháp xử lý thực vật (Katsoyiannis Zouboulis, 2002) Trong đó, phương pháp hấp phụ có nhiều ưu điểm hiệu xử lý cao, giá thành thấp dễ dàng thực (Abas nnk, 2013) Các vật liệu hấp phụ đượcnghiên cứu áp dụng phổ biến gồm có vật liệu tự nhiên (đá ong, khoáng vật sét, bùn đỏ…) vật liệu biến tính (Babel Kurniawan, 2003) Bên cạnh đó, hoạt động khai thác chế biến khoáng sản làm sản sinh khối lượng lớn bùn thải làm ảnh hưởng tới môi trường hệ sinh thái Việc ứng dụng bùn đỏ, bùn thải từ khai thác than làm vật liệu hấp phụ nghiên cứu áp dụng có tiềm xử lý ô nhiễm KLN nước (Nguyễn Trung Minh nnk, 2010, Dỗn Đình Hùng nnk, 2011, Phạm Thị Thúy nnk, 2016) Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng bùn thải từ khu chế biến sắt để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ Việt Nam chưa đánh giá Xuất phát từ ý nghĩa đó, luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu, đánh giá khả hấp phụ kim loại nặng nƣớc bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn” thực với mục tiêu nhiệm vụ sau: Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá khả hấp phụ luận giải chế hấp phụ KLN môi trường nước bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan tài liệu có liên quan cơng nghệ xử lý nước thải, vật liệu hấp phụ, KLN độc tố chúng môi trường nước; - Nghiên cứu, xác định đặc trưng bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn: (1) Thành phần nguyên tố, (2) Thành phần khống vật, (3) Điện tích bề mặt, (4) Diện tích bề mặt, (5) Nhóm chức hoạt động bề mặt, (6) Hình thái cấu trúc vật liệu (SEM); - Nghiên cứu, đánh giá khả hấp phụ KLN môi trường nước bùn thải khu chế biến sắt Bản Cn thơng qua thí nghiệm: (1) Xác định pHPZC, (2) Khảo sát ảnh hưởng pH, (3) Khảo sát ảnh hưởng khối lượng vật liệu; (4) Khảo sát ảnh hưởng thời gian (5) Khảo sát ảnh hưởng nồng độ KLN ban đầu tới khả hấp phụ; - Luận giải chế hấp phụ KLN môi trường nước bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn CHƢƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Ơ nhiễm kim loại nặng mơi trƣờng nƣớc Ô nhiễm KLN môi trường nước mối de dọa tới môi trường, hệ sinh thái sức khỏe cộng đồng KLN kim loại có khối lượng riêng lớn 5g/cm3 có khối lượng nguyên tử nằm khoảng 63,5 200,6 đvC (Fu Wang, 2011) Một số KLN nguyên tố vi lượng cần thiết cho sinh vật (Cu, Zn, Mn, Mo, Ni…) Khác với chất thải hữu tự phân hủy đa số trường hợp, KLN thải vào môi trường thường tồn lâu dài KLN gây độc hại với môi trường thể sinh vật hàm lượng chúng vượt tiêu chuẩn cho phép Chì (Pb), Cadimi (Cd), Asen (As) xếp loại độc tố loại A KLN có khả gây nguy hại sức khỏe người Trong nước thải công nghiệp KLN thường bao gồm Pb, Cr, Hg, Se, Zn, As, Cd, Mn, Ni…, chúng sinh hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản, hoạt động nơng nghiệp, q trình cơng nghiệp hóa q trình địa chất tự nhiên (Kyle nnk, 2011; Johnson Hallberg, 2015) Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm KLN nước thải công nghiệp nước thải độc hại không qua xử lý xử lý không đạt yêu cầu xả trực tiếp vào môi trường Ion KLN dễ kết hợp với nước tạo hydroxit Khả hòa tan hydroxit kim loại phụ thuộc vào pH nước Trong khai thác chế biến khống sản thường sinh dịng thải axit mỏ có pH dao dộng - 5,5 thường có hàm lượng As, Pb, Zn, Cd Mn cao, chúng tồn dạng ion hòa tan dễ dàng di chuyển tích tụ mơi trường đất trầm tích (Johnson Hallberg, 2015) Các KLN tồn môi trường đất, nước, vào thể sinh vật người qua đường hấp thụ hơ hấp, tiêu hóa qua da; thường tích lũy thể gây ô nhiễm chúng không tham gia vào q trình sinh hóa thể sinh vật Asen (As) Asen chất có độc tính cao, có tỷ trọng 5,73g/cm3 xếp vào nhóm độc loại A với Hg, Se, Pb, Cd Trong tự nhiên, nguồn As xuất Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir KLN Freundlich KF KL qm(mg/kg (L/mg) ) Cd 0,12 1450 0,46 0,30 Pb 0,47 2130 0,62 As 0,23 1890 0,93 R2 1/n R2 210,0 0,51 0,88 0,10 595,0 0,47 0,76 0,18 339,0 0,53 0,99 RL ((mg/kg)(L/mg)1/n) 3.3 Cơ chế hấp phụ kim loại nặng bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn Kết nghiên cứu cho thấy vật liệu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cn có khả xử lý KLN Pb, As, Cd, Zn, Mn Trong mẫu bùn thải chế biến sắt Bản Cuôn cho thấy hàm lượng khoáng vật thuộc oxit hydroxit sắt tương đối cao gồm geothit, magnetit, hemantit, illit, pyrit Sự có mặt oxit sắt khống vật geothit thành phần khoáng vật vật liệu tạo bề mặt mang điện tích dương Khống vật gơtít liên kết cố đinh As, Pb theo chế: As: Fe - OHo + AsO42- + H = Fe - OAsO32- + H2O Fe-OHo + Pb2+  Fe-OPb+ + H+ Fe-OH + PbOH+ Fe-OPbOHo + H+ Ngồi ra, điện tích bề mặt oxit Fe biến thiên theo pH nên môi trường pH quan trọng đến khả hấp phụ vật liệu Với pH dung dịch thực pH = 5,5 < đảm bảo bề mặt oxit Fe mang điện tích dương thúc đẩy phản ứng cố định As bề mặt Ngồi ra, oxit Fe có khả hấp phụ số KLN (ví dụ Cu, Zn) vào cấu trúc chúng (Nguyễn Ngọc Minh, 2013) Do vậy, không As mà oxit sắt có khả xử lý KLN Ngồi ra, bùn thải cịn chứa hàm lượng lớn kaolinit sử dụng khoáng vật riêng rẽ để loại bỏ đồng thời KLN dạng cation (Pb2+, Cu2+ 51 Zn2+) anion (As) Điểm đẳng điện kaolinit thường dao động khoảng pH - 5,5 Trong đó, giá trị pH dung dịch sau hấp phụ đo mức 4,56 5,24, môi trường cho giá trị pH nhỏ điểm đẳng nhiệt bề mặt kaolinit mang điện tích dương, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ As Các thí nghiệm mẻ thí nghiệm ảnh hưởng khối lượng vật liệu, thời gian hấp phụ vật liệu nồng độ kim loại ban đầu vật liệu cho thấy khả hấp phụ KLN theo thứ tự giảm dần: Pb> As> Cd> Zn> Mn Thứ tự hấp phụ kim loại bán kính ion KLN (Pb2+, Cd2+, Mn2+, Zn2+) ảnh hưởng đến mật độ điện tích ion Cation có bán kính lớn mật độ điện tích nhỏ ngược lại, rPb (1,2A0) > rCd (0,97A0) > rZn (0,74A0) > rMn (0,67A0) (Wasastjerna, 1923) Bên cạnh đó, hiệu xử lý cation KLN cạnh tranh trao đổi ion ion Pb2+, Cd2+, Mn2+, Zn2+ Đối với ion Pb2+ bị thủy phân, tạo kết tủa bị lọc mạnh mẽ so với ion kim loại khác, mức pH = 5,5, dung dịch thí nghiệm tồn chủ yếu Pb2+ (>80%) Kết phân tích lượng KLN giảm nước lượng KLN tăng lên vật liệu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn sau kết thúc thí nghiệm đẳng nhiệt nồng độ 10, 20, 50 mg/l cho thấy, hàm lượng KLN (As, Pb, Cd, Zn, Mn) giảm dung dịch nước lớn hàm lượng KLN bị hấp thu vào mẫu vật liệu (Hình 17) Hàm lượng KLN mẫu vật liệu bùn thải khu chế biến sắt dao động khoảng 159 - 348 mg/kg (Mn); 215 - 439 mg/kg (Zn); 285 -528 mg/kg (Cd); 473 - 1114 mg/kg (Pb); 206 - 1233 mg/kg (As) Hàm lượng KLN giảm dung dịch là: 175 - 449 mg/kg (Mn); 266 - 546 mg/kg (Zn); 289 - 784 mg/kg (Cd); 505 - 1508 mg/kg (Pb); 371 - 1497 mg/kg (As) Như vậy, phần KLN bị hấp thụ vào vật liệu phần nhỏ ion kim loại bám vào thành bình phần tạo kết tủa cation kim loại bị thủy phân dung dịch 52 Q (mg/kg) 600 Mn 400 200 10 20 50 Hàm lượng kim loại nặng ban đầu (mg/l) 1000 Zn Q (mg/kg Q(mg/kg) 600 400 200 500 10 20 50 10 Hàm lượng kim loại nặng ban đầu (mg/l) 2000 Q (mg/kg) 500 50 As 2000 1000 20 Hàm lượng kim loại nặng ban đầu (mg/l) Pb 1500 Q (mg/kg) Cd 1500 1000 500 0 10 20 10 50 20 50 Hàm lượng kim loại nặng ban đầu (mg/l) Hàm lượng kim loại nặng ban đầu (mg/l) Hình 17 So sánh lƣợng kim loại giảm dung dịch lƣợng kim loại tăng lên vật liệu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 53 Bảng So sánh khả hấp phụ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn số vật liệu khác Kim loại Vật liệu 1887 Nghiên cứu Đá ong Tam Dương 756 Nguyễn Hoàng Phương Thảo nnk, 2016 Đất đá ong Hemantit tự nhiên Pb Cd Zn Mn Nguồn tham khảo SBC2-BR Đá ong (OBY) As Dung lƣợng cao (mg/kg) 702,12 Nguyễn Trung Minh nnk, 2010 1384 Maji nnk 2007 20 Giménez nnk, 2010 δ-FeOOH 37300 Faria nnk, 2014 SBC2-BR 2128 Nghiên cứu Đá ong Tam Dương 1553 Nguyễn Hoàng Phương Thảo nnk, 2016 Đá ong (OBY) 657,45 Than hoạt tính 1000 Li nnk, 2002 Kaolinit 4730 Jiang nnk, 2009 SBC2-BR 1449 Nghiên cứu Nguyễn Trung Minh, 2010 Đá ong Tam Dương 397 Nguyễn Hoàng Phương Thảo nnk, 2016 Monmoriolit 4700 Bhattachayya Gupta, 2007 Carbon nanotubes 1100 Li nnk, 2003 SBC2-BR 641 Nghiên cứu Đá ong Tam Dương 281 Nguyễn Hoàng Phương Thảo nnk, 2016 Tro bay 31 Mohan Gandhimathi, 2009 SBC2-BR 500 Nghiên cứu Đá ong Tam Dương 143 Nguyễn Hoàng Phương Thảo nnk, 2016 54 So sánh hiệu hấp phụ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn với số loại vật liệu khác cho thấy tiềm xử lý vật liệu cao (Bảng 8) So sánh dung lượng hấp phụ cao cho thấy dung lượng hấp phụ cao bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn cao hẳn so với đá ong Tam Dương As, Pb, Cd, Zn, Mn Nguyên nhân thành phần khoáng vật bùn thải mỏ sắt Bản Cn chứa thành phần khống vật có ích cho hấp phụ gotit (20%), oxit sắt khác magnetit, manhetit cao so với đá ong Tam Dương Vĩnh Phúc có thành phần geothit (15%) Tuy nhiên, dung lượng hấp phụ bùn thải mỏ sắt Bản Cuôn xử lý As đạt 1887mg/kg nhỏ nhiều so với vật liệu nano δFeOOH với qmax = 37300 mg/kg (Faria nnk, 2014) thành phần khoáng vật liệu chủ yếu chứa khoáng vật geothit, có lực lớn với As Nhìn chung, bùn thải khu chế biết sắt Bản Cn có khả hấp phụ KLN tốt, vật liệu hấp phụ tiềm xử lý nước bị nhiễm KLN Tuy nhiên, với đặc điểm bùn thải từ trình chế biến nên kích thước hạt thường nhỏ (giàu cát, bùn) nên gây tắc hệ thống xử lý sử dụng bùn thải nguyên khai làm vật liệu hấp phụ Do đó, để sử dụng bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn xử lý nước bị ô nhiễm KLN, cần tiến hành nghiên cứu nhằm tạo hạt biến tính nhằm nâng cao khả hấp phụ vật liệu 55 KẾT LUẬN Nghiên cứu, đánh giá khả hấp phụ KLN Mn, Zn, Cd, Pb As nước bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn, tỉnh Bắc Kạn cho thấy: Đặc trưng bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn (SBC2-BR) cho thấy tiềm hấp phụ KLN vật liệu này: (1) thành phần khoáng vật geothit (20%), kaolinit (11%) khoáng oxit sắt, thành phần nguyên tố chứa lượng lớn oxit sắt Fe2O3 (20,4%) oxit nhôm Al 2O3 (21,7%); (2) cấu trúc bề mặt xốp với có mặt nhóm điện tích hoạt động Si-O-Si, Si-OH, O-H cho thấy khả cố định, bề mặt điện tích âm; (3) giá trị diện tích bề mặt (BET) điện tích bề mặt (PCD) 47,4 m2/g, 75 mmolc(-).Kg-1 và; (4) giá trị pHPZC Kết khảo sát ảnh hưởng pH, tỷ lệ khối lượng vật liệu, thời gian tiếp xúc cho thấy giá trị tối ưu để vật liệu SBC2-BR có khả xử lý tốt KLN Mn, Zn, Cd, Pb As môi trường nước pH =5,5, tỷ lệ khối lượng vật liệu 20g/l, thời gian cân 24 Kết nghiên cứu mơ hình động học hấp phụ trình hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb As phù hợp với mơ hình động học bậc 2, giá trị qe tính theo mơ hình động học bậc sát với giá trị thực nghiệm Kết thí nghiệm đẳng nhiệt cho thấy dung lượng hấp phụ tối đa Mn, Zn, Cd, Pb As 500; 641; 1450; 2130; 1890mg/kg Ngoài ra, vật liệu SBC2-BR hấp phụ Mn, Cd, Pb As phù hợp với mơ hình hấp phụ Freundlich chứng tỏ vật liệu có khả hấp phụ đa lớp KLN bề mặt Đối với Zn phù hợp với phương trình Langmuir, vật liệu có khả hấp phụ đơn lớp Zn lên bề mặt vật liệu Kết đánh giá đặc trưng vật liệu, thí nghiệm kết phân tích hàm lượng kim loại hấp phụ vật liệu SBC2-BR cho thấy phần KLN bị hấp phụ vào vật liệu phần nhỏ kim loại tạo kết tủa cation bị thủy phân dung dịch 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Dỗn Đình Hùng (2013), “Nghiên cứu đánh giá khả sử dụng số loại bùn thải mỏ than việc xử lý nước thải bị ô nhiễm kim loại nặng” VAST05.04/12-13 Đinh Thị Hiền, Bùi Phương Thảo, Hoàng Minh Trang, Trần Văn Sơn, Nguyễn Mạnh Khải (2011), “Bước đầu thử nghiệm chế tạo vật liệu Bentonit-Sắt xử lý asen mơi trường nước”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, 27, 89-95 Hồng Thế Phi (2006), “Nghiên cứu cơng nghệ xử lý nước ni trồng thủy sản ngun liệu khống điatomit Phú Yên”, Hội khoa học công nghệ mỏ Việt Nam Lê Đức Trung, Nguyễn Ngọc Linh, Nguyễn ThịThanh Thúy (2007), “Sử dụng vật liệu hấp phụ tự nhiên để xử lý kim loại nặng bùn thải cơng nghiệp” Tạp chí phát triển khoa học cơng nghệ, 10(1) Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lý nước thải, Nhà xuất Thống kê Hà Nội Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Phạm Ngọc Chức, Vũ Thế Ninh, Nguyễn Đức Văn (2013), Phương pháp sản xuất vật liệu nano oxit hỗn hợp Fe-Mn cát thạch anh để hấp phụ asen khỏi nước sinh hoạt Nguyễn Hoàng Phương Thảo, Nguyễn Thị Hoàng Hà, Phạm Thị Thuý, Nguyễn Mạnh Khải, Trần Thị Huyền Nga (2016), “Nghiên cứu khả hấp phụ kim loại nặng Asen laterit đá ong huyện Tam Dương, tỉnh Vĩnh Phúc”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, 32,1S, tr 321-326 Nguyễn Ngọc Minh (2013), “Nghiên cứu đặc tính bề mặt khả hấp phụ cation phytolith có rơm rạ”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, 29 (3S), tr 158-162 57 Nguyễn Trọng Uyển, Trần Hồng Côn, Phạm Hùng Việt, Hoàng Văn Hà (2000) “Nghiên cứu sử dụng quặng sắt (Limonit) làm tác nhân hấp phụ loại bỏ an toàn asen khỏi nước sinh hoạt”, Tạp chí Hố học, T.38, số4, tr 72-76 10 Nguyễn Trung Minh (2010), “Nghiên cứu chế tạo sản phẩm hấp phụ sở nguyên liệu khoáng tự nhiên bazan, đá ong, đất sét để xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng asen”, KC-02.25/06-10 11 Nguyễn Văn Nhân (2004), Các mỏ khoáng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 12 Nguyễn Xuân Hải, Nguyễn Ngọc Minh, Kireycheva L V., Phạm Anh Hùng, Phan Đông Pha, Vũ Thị Hồng Hà, Dương Khánh Vân (2011), “Nghiên cứu tổng hợp zeolit từ điatomit làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng (Pb Cd)” Tạp chí khoa học - Đại học Quốc gia Hà Nội, 27 (3), 168 - 171 13 Phạm Thị Thúy, Nguyễn Thị Thanh Mai, Nguyễn Mạnh Khải (2016), “Nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý asen nước từ bùn đỏ”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S, 370-376 14 Thăng Thị Minh Hiến (2014), “Nghiên cứu ảnh hưởng hoạt động khai thác chế biến quặng sắt mỏ sắt Bản Cuôn đến môi trường nước xã Ngọc Phái, huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn”, Luận văn thạc sĩ Khoa học Môi trường số 60 85 02, NXB Đại học Thái Nguyên 15 Trịnh Thị Thanh, Trần Yêm, Đồng Kim Loan (2004), Giáo trình công nghệ môi trường đại cương, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội Tiếng Anh 16 Abas S.N.A., Ismail M.H.S., Kamal M.L., Izhar S (2013), “Adsorption Process of Heavy Metals by Low-Cost Adsorbent: A Review” World Appl, 28, pp 15181530 17 Babel S., Kurniawan T.A (2003), “Low-cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water: a review” Journal of Hazardous Materials B97, pp 219-243 58 18 Bhatnagar A., Vilar V.J.P., Botelho C.M.S., Boaventura R.A.R (2011), “A review of the use of red mud as adsorbent for the removal of toxic pollutants from water and wastewater” Environmental Technology, 32(3), pp 231-249 19 Caliskan N., A.R Kul, Alkan S., Sogut E.G., Alacabey I (2011), “Adsorption of Zinc(II) on diatomite and manganese-oxide-modified diatomite: A kinetic and equilibrium study” Journal of Hazardous Materials, 193, pp 27- 36 20 Chotpantarat S., Ong S K., Sutthirat C., Osathaphan K (2011), “Effect of pH on transport of Pb2+, Mn2+, Zn2+ and Ni2+through lateritic soil: Column experiments and transport modeling” Journal of Environmental Sciences, 23(4), pp 640-648 21 Doula M K, D A (2008), “Use of an iron-overexchanged clinoptilolite for the removal of Cu2+ ions from heavily contaminated drinking water samples”, Journal of Hazardous Materials, 151 22 Dreosti I.E (1996), “Zinc: Nutritional aspects”, report of international meeting, Adelaide 23 Erdem M., Ozverdi A (2005), “Lead adsorption from aqueous solution onto siderite”, Separation and Purification Technology, 42, pp 259-264 24 Fang, L., Li, L., Qu, Z., Xu, H., Xu, J., & Yan, N (2018) A novel method for the sequential removal and separation of multiple heavy metals from wastewater Journal of hazardous materials, 342, 617-624 25 Faria, M C., Rosemberg, R S., Bomfeti, C A., Monteiro, D S., Barbosa, F., Oliveira, L C., & Rodrigues, J L (2014), “Arsenic removal from contaminated water by ultrafine δ-FeOOH adsorbents”, Chemical Engineering Journal, 237, pp 47-54 26 Fenglian F., Qi W (2011), “Removal of heavy metal ions from wastewaters: A review”, Journal of Environmental Management, 92, pp 407-418 27 Foo K Y, Hameed B H (2010), Insights into the modeling of adsorption isotherm systems”, Chemical Engineering Journal, 156(1), pp 2-10 28 Fu F., Wang Q (2011) “Removal of heavy metal irons from wastewaters: A review” Journal of Environmental Management 92(3), pp.407-418 59 29 Ghosh M., Singh S P (2005), “A review on phytoremediation of heavy metals and utilization of its byproducts”, Applied Ecology And Environmental Research, 3(1), pp 1-18 30 Giménez J., Pablo J., Martínez M., Rovira M., Valderrama C (2010), “Reactive transport of arsenic (III) and arsenic(V) on natural hematite: experimental and modeling”, Journal Colloid Interface Sci., 348, pp 293-297 31 Gupta S.S., Bhattacharyya K.G (2007), “Immobilization of Pb(II), Cd(II) and Ni(II) ions on kaolinite and montmorillonite surfaces from aqueous medium”, Journal of Environmental Management, 87, pp 46-58 32 Guru M., Venedik D., Murathan A (2008), “Removal of trivalent chromium from water using low-cost natural diatomite”, Journal of Hazardous Materials, 160, pp 318-323 33 Heredia J B, Martin J S (2009) “Removing heavy metals from polluted surface water with a tannin-based flocculant agent”, Researcj Journal Hazard Mater, 165, pp 1215-1218 34 Hering J.G., Chen P.J., Wilkie J.A., Elimelech M (1997), “Arsenic Removal from Drinking Water during Coagulation”, Journal of Environmental Engineering, 8, pp 800-807 35 Hui Q I U L, Lu V., Bing-cai P., Qing-jian Z., Wei-ming Z., Quan-xing Z (2009), “Critical review in adsorption kinetic models”, Journal of Zhejiang, 10(5), pp 716-724 36 Jiang, M Q., Wang, Q P., Jin, X Y., & Chen, Z L (2009), “Removal of Pb (II) from aqueous solution using modified and unmodified kaolinite clay”, Journal of Hazardous Materials, 170(1), pp 332-339 37 Johnson D.B., Hallberg K.B (2005), “Acid mine drainage remediation options: a review”, Science of the Total Environment, 338(1), pp 3-14 38 Kang S Y, Lee J U., Moon S H Kim K W (2004), “Competitive adsorption characteristics of Co2+, Ni2+, and Cr3+ by IRN-77 cation exchange resin in synthesized wastewate”, Chemosphere, 56, pp141-147 60 39 Kathryn V W S (2006), “Removal of Arsenic from Drinking Water by Water Hyacinths (Eichhornia crassipes)”, J U.S SJWP 40 Katsoyiannis I.A., Zouboulis A.I (2002), “Removal of arsenic from contaminated water sources by sorption onto Iron-coated polymeric materials”, Water Resources, 36, pp 5145-5155 41 Khaled E M., Stucki J W (1991), “Effects of iron oxidation state on cation fixation in smectites”, Soil Sci Soc Am J 55, pp 550-554 42 Kim J., Benjamin M.M (2004), “Modeling a novel ion exchange process for arsenic and nitrate removal”, Water Resources 38, pp 2053-2062 43 Korngold E., Belayev N., Aronov L (2001), “Removal of arsenic from drinking water by anion exchange”, Desalination 141, pp 81-84 44 Kurniawan T A, Chan G Y S., Lo W H., Babel S.(2006), “Physico-chemical treatment techniques for wastewater laden with heavy metals”, Chem Eng J, 118, pp 83-98 45 Kyle J.H., Breuer P.L., Bunney K.G., LeysierR.P., May P.M (2011), “Review of trace toxic elements (Pb, Cd, Hg, As, Sb, Bi, Se, Te) and their deportment, in gold processing Part 1: Mineralogy, aqueous chemistry, and toxicity” Hydrometallurgy, 107, pp 91-100 46 Lee M., Paik I S., Kim I., Kang H., Lee S (2007), “Remediation of heavy metal contaminated groundwater originated from abandoned mine using lime and calcium carbonate”, Journal of Hazardous Materials, 144, pp 208-214 47 Li, Y.H., Wang, S., Wei, J., Zhang, X., Xu, C., Luan, Z., Wu, D., and Wei, B (2002) “Lead adsorption on carbon nanotubes”, Chem Phys Lett., 357, pp 263-266 48 Li, Y.H., Wang, S.W., Luan, Z.L., Ding, J.D., Xu, C.X., and Wu, D (2003), “Adsorption of cadmium (II) from aqueous solution by surface oxidized carbon nanotubes”, Carbon, 41, pp 1057-1062 49 Lin T.F., Wu J.K (2001), “Adsorption of arsenite and arsenate within activated alumina grains: equilibrium and kinetics Water Resources, 35 (8), pp 20492057 61 50 Liu, C., Lei, X., Wang, L., Jia, J., Liang, X., Zhao, X., & Zhu, H (2017), “Investigation on the removal performances of heavy metal ions with the layerby-layer assembled forward osmosis membranes” Chemical Engineering Journal 51 Maiti A., Gupta S D., Basu J.K., De S (2007), “Adsorption of asenite using natural laterite as adsorbent”, Separation and Purification Technology, 55, pp 350-359 52 Maji, S K., Pal, A., & Pal, T (2007), “Arsenic removal from aqueous solutions by adsorption on laterite soil”, Journal of Environmental Science and Health Part A, 42(4), pp 453-462 53 Malcolm W., Todd G.D., Nickolette R., Jewell C., Coles C (2012), “Toxicological profile formanganese 54 Mark A K (1998), “The removal of copper and nickel from aqueous solution using Y zeolite ion exchangers”, Physicochemical and Engineering Aspects, 138, pp 11-20 55 Misbahuddin M., Fariduddin A (2002), “Water hyacinth removes arsenic from arsenic-contaminated drinking water” 56 Mohan, S., Gandhimathi, R (2009), “Removal of heavy metal ions from municipal solid waste leachate using coal fly ash as an adsorbent”, Journal of Hazardous Materials, 169 (1-3), pp 351-359 57 Motsi T., Rowson N.A., Simmons M.J.H (2009), “Adsorption of heavy metals from acid mine drainage by natural zeolit”, International Journal Mineral Processing, 92, pp 42-48 58 Naseem R., Tahir S.S (2001), “Removal Of Pb (II) From Aqueous/Acidic Solutions By Using Bentonite As An Adsorbent”, Water Res., 35(16), pp 39823986 59 Nguyen Van Pho, Hoang Thi Tuyet Nga, Vu Thi Thu Anh (2006), “The migration capacity of Lead in environment and the problem of Lead pollution in Cho Dien Zinc-Lead ore area”, J Geology, Series B, No 27 62 60 Nogawa K., Kurachi M., Kasuya M (1999), “Advances in the Prevention of Environmental Cadmium Pollution and Countermeasures”, Proceedings of the International Conference on Itai-Itai Disease Environmental Cadmium Pollution Countermeasure 61 Orescanin V., Damirruk, Kollar R., Mikelic I L., Nad K., Mikulic N (2011), “A combined treatment of landfill leachate using calcium oxide, ferric chloride and clinoptilolite”, Journal of Environmental Science and Health Part A, 46, pp 323328 62 Payne K.B., Abdel-Fattah T.M (2005), “Adsorption of Asenate and Asenite by Iron-Treated Activated Carbon and Zeolits: Effects of pH, Temperature, and Ionic Strength”, Journal of Environmental Science and Health, 40, pp 723-749 63 Phytoreme T D., Allende K L., McCarthy D.T (2014), “The influence of media type on removal of arsenic, iron and boron from acidic wastewater in horizontal flow wetland microcosms planted with Phragmites australis”, Chemical Engineering Journal, 246, pp 217-228 64 Šljivić M., Smičiklas I., Pejanović S., Plećaš I (2009), “Comparative study of Cu2+ adsorption on a zeolit, a clay and a diatomite from Serbia”, Applied Clay Science, 43, pp 33-40 65 Smedley P.L., KinniburghD.G (2002), “A review of the source, behaviour, and distribution of arsenic in natural waters”, Applied Geochemistry, 17(5), pp 517568 66 Steenland K., Boffetta P (2000), “Lead and cancer in humans: where are we now?” Am J Ind Med, 38, pp 295-299 67 Wasastjerna, J A (1923), “On the radii of ions”, Comm Phys.-Math., Soc Sci Fenn 1, pp 1-25 68 Worch E (2012), “Adsorption Technology in Water Treatment” 69 Xinchao W., Roger C., Viadero J and Karen M (2005), “Recovery of Iron and Aluminum from Acid Mine Drainage by Selective Precipitation”, Environ Eng Sci.,22, 6, pp 745-755 63 70 Yuan P., Liu D., Fan M., Yang D., Zhu R., Ge F., Zhu J.X., He H (2010), “Removal of hexavalent chromium [Cr(VI)] from aqueous solutions by the diatomite-supported/unsupported magnetite nanoparticles”, Journal of Hazardous Materials, 173, pp 614-621 71 Zhang F.S., Itoh H (2005) “Iron oxide-loaded slag for asenic removal from aqueous system”, Chemosphere, 60, pp 319-325 72 Zhang H., Dongsheng M., Xiongxi H (2002), “Arsenic pollution in groundwater from Hetao Area”, China Environmental Geology, 41, pp 638-643 73 Zhang Y., Yang M., Huang X (2003), “Arsenic (V) removal with a Ce(IV)doped iron oxide adsorbent”, Chemosphere, 51, pp 945-952 64 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Nguyễn Thị Hải, Đặng Ngọc Thăng, Nguyễn Thị Hoàng Hà (2016) Đánh giá khả xử lý đồng thời As, Cd, Pb điều kiện lọc qua hạt vật liệu chế tạo từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cn, tỉnh Bắc Kạn Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ 32(2S), 203-210 Nguyen Thi Hai, Thao Hoang Minh, Nguyen Ngoc Minh, Pham Thi Nga, Nguyen Thi Hoang Ha (2016) Selection of natural materials for treatment of wastewater contaminated with heavy metals from minning and minerals processing in Northern Vietnam In Proceedings of the international symposium Hanoi Geoengineering 2016 “Energy and sustainability”, 113-118 Le Sy Chinh, Mai Trong Nhuan, Nguyen Xuan Hai, Nguyen Thi Hai, Dang Ngoc Thang, Nguyen Tai Giang, Doan Dinh Hung, Nguyen Trung Minh, Nguyen Manh Khai, Tran Dang Quy and Nguyen Thi Hoang Ha (2016) The influence of sodium silicate on removal of heavy metals by iron mine tailing ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 11(21), 12555-12560 Lê Sỹ Chính, Mai Trọng Nhuận, Nguyễn Xuân Hải, Nguyễn Thị Hải, Đặng Ngọc Thăng, Nguyễn Tài Giang, Trần Đăng Quy, Nguyễn Thị Hoàng Hà (2016) Đánh giá khả xử lý kim loại nặng nước sử dụng vật liệu chế tạo từ bùn thải mỏ chế biến sắt Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ 32(1S), 38-44 Dang Ngoc Thang, Nguyen Thi Hai, Ho Thi Thanh, Nguyen Tai Giang, Doan Dinh Hung, Nguyen Trung Minh, Cu Sy Thang, Tran Dang Quy, Nguyen Thi Hoang Ha (2016) Fixed bed column sorption of heavy metals on modified iron mine drainage sludge, Bac Kan Province In Proceedings of the international symposium Hanoi Geoengineering 2016 “Energy and sustainability”, 157-161 65 ... Bản Cuôn 38 Bảng 6: Mơ hình động học hấp phụ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 47 Bảng 7: Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 50 Bảng So sánh khả hấp phụ bùn thải. .. 3.2 Khả hấp phụ kim loại nặng bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 40 3.2.1 Ảnh hưởng pH tới khả hấp phụ kim loại nặng 40 3.2.2 Ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng vật liệu tới khả hấp phụ kim loại nặng. .. loại nặng nƣớc bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn? ?? thực với mục tiêu nhiệm vụ sau: Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá khả hấp phụ luận giải chế hấp phụ KLN môi trường nước bùn thải khu chế biến sắt Bản