Nghiên cứu xử lý nước thải chứa phóng xạ bằng vật liệu hấp phụ chế tạo từ khoáng bentonit tự nhiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH VĂN TÔN NGHI ÊN CỨ U XỬ LÝ N Ư ỚC THẢ I C HỨ A PHÓNG XẠ BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠ O TỪ KHOÁN G BE N TON I T TỰ N HI ÊN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH VĂN TÔN NGHI ÊN CỨ U XỬ LÝ N Ư ỚC THẢ I C HỨ A PHÓNG XẠ BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠ O TỪ KHOÁN G BE N TON I T TỰ N HI ÊN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS THÂN VĂN LIÊN TS NGUYỄN THÚY LAN HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học PGS.TS Thân Văn Liên TS Nguyễn Thúy Lan Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố hình thức trước Những số liệu bảng, biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo, kết phân tích từ thí nghiệm khoa học tiến hành tác giả trình thực đề tài cấp Nhà nước: “Nghiên cứu, chế tạo vật liệu hấp phụ công nghệ xử lý nước thải chứa phóng xạ ngành khai thác chế biến quặng phóng xạ” Các số liệu đề tài Chủ nhiệm đề tài cho phép tác giả sử dụng để thực luận văn Ngồi ra, luận văn cịn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc cụ thể Nếu phát có gian lận nào, tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Học viên Đinh Văn Tơn i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I MỤC LỤC II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VII MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Lịch sử nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu giới nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 Tổng quan trình hấp phụ vật liệu hấp phụ chất phóng xạ 10 1.2.1 Tổng quan q trình hấp phụ 10 1.2.1.1 Mơ hình động học hấp phụ 11 1.2.1.2 Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 12 1.2.1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ 15 1.2.2 Tổng quan vật liệu hấp phụ chất phóng xạ 16 1.3 Cơ sở hóa học chất phóng xạ 18 ii 1.3.1 Urani 18 1.3.2 Thori 21 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM .23 2.1 Mẫu nước thải nghiên cứu 23 2.2 Nguyên vật liệu thiết bị 23 2.2.1 Thiết bị dụng cụ đo 23 2.2.2 Nguyên vật liệu hóa chất: 24 2.3 Quy trình chế tạo đặc điểm vật liệu hấp phụ 24 2.4 Nội dung nghiên cứu 27 2.5 Phương pháp thực nghiệm 27 2.5.1 Giai đoạn Kết tủa hóa học Keo tụ/tạo bơng 27 2.5.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới hiệu xử lý 27 2.5.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng PAC tới hiệu xử lý 28 2.5.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng PAA tới hiệu xử lý 28 2.5.2 Giai đoạn hấp phụ 29 2.5.2.1 Khảo sát ảnh hưởng pH lên trình hấp phụ 30 2.5.2.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ 31 2.5.2.3 Thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ 31 2.5.3 Phương pháp phân tích mẫu đánh giá kết mơ hình xử lý 32 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN 37 3.1 Đặc tính mẫu nước thải nghiên cứu 37 3.2 Nghiên cứu trình Kết tủa hóa học Keo tụ/Tạo bơng 39 3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới hiệu xử lý 39 iii 3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng PAC tới hiệu xử lý 42 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng PAA tới hiệu xử lý 44 3.3 Nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu hấp phụ 46 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới khả hấp phụ 46 3.3.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ 48 3.3.3 Thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ 50 3.4 Đề xuất quy trình cơng nghệ xử lý nước thải chứa phóng xạ 52 3.5 Vấn đề tái sinh vật liệu hấp phụ xử lý bùn thải 55 3.5.1 Tái sinh vật liệu hấp phụ 55 3.5.2 Vấn đề xử lý bùn thải vật liệu hấp phụ khơng cịn khả tái sinh 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 Kết luận 60 Kiến nghị 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 64 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Nghĩa đầy đủ BKHCN Bộ Khoa học Công nghệ BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường GAC Than hoạt tính dạng hạt (Granular Activated Carbon) IAEA Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (International Atomic Energy Agency) KLN Kim loại nặng MMT Hàm lượng Montmorillonite khống bentonit NORM Vật liệu phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên (Naturally Occurring Radioactive Materials) PAC Polyaluminium Chloride (Một loại hóa chất trợ keo tụ) PAA Polyacrylamide (Một loại hóa chất trợ lắng) QCVN Quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam TENORM Vật liệu phóng xạ có nguồn gốc kỹ thuật (Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials) v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số công nghệ xử lý nước thải chứa phóng xạ giới Bảng 1.2 Hiệu xử lý nước thải phóng xạ qua giai đoạn xử lý Bảng 1.3 Khả hấp phụ U Th số loại khoáng sét 17 Bảng 2.1 Các đặc điểm vật liệu hấp phụ 27 Bảng 3.1 Kết phân tích mẫu nước thải ban đầu .37 Bảng 3.2 Giá trị pH kết tủa số hydroxit kim loại .38 Bảng 3.3 Kết nghiên cứu ảnh hưởng pH tới hiệu xử lý .40 Bảng 3.4 Kết phân tích mẫu giá trị pH khác 41 Bảng 3.5 Kết nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng PAC tới hiệu xử lý 43 Bảng 3.6 Ảnh hưởng hàm lượng PAA tới hiệu xử lý 44 Bảng 3.7 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ ion kim loại .46 Bảng 3.8 Ảnh hưởng thời gian tới khả hấp phụ .48 Bảng 3.9 Số liệu thực nghiệm xác định dung lượng hấp phụ ion UO22+, Th4+, Fe2+, Mn2+ 50 Bảng 3.10 Kết xử lý nước thải trình chế biến đất 54 Bảng 3.11 Thành phần số nguyên tố phóng xạ chất thải rắn 58 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt Freundlich 13 Hình 1.2 Sự phụ thuộc lgq vào lgCf 13 Hình 1.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .15 Hình 1.4 Sự phụ thuộc C1/q vào C1 15 Hình 1.5 Khả hấp phụ phóng xạ số loại khoáng sét 16 Hình 1.6 Biểu đồ phân bố ion Urani (VI) điều kiện khơng có CO2 .21 Hình 1.7 Biểu đồ phân bố ion Urani (VI) điều kiện có CO2 21 Hình 2.1 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo vật liệu hấp phụ từ khoáng bentonit 25 Hình 2.2 Vật liệu hấp phụ chế tạo từ khoáng bentonit 26 Hình 2.3 Giản đồ XRD bentonit nguyên khai sản phẩm sau tuyển .26 Hình 2.4 Giản đồ XRD vật liệu hấp phụ chế tạo 26 Hình 3.1 Ảnh hưởng pH tới hiệu xử lý .40 Hình 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng PAC tới hiệu xử lý 43 Hình 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng PAA tới thời gian lắng bùn .45 Hình 3.4 Ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ ion kim loại .47 Hình 3.5 Ảnh hưởng thời gian tới khả hấp phụ .49 Hình 3.6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ ion kim loại vật liệu hấp phụ 51 Hình 3.7 Sơ đồ qui trình cơng nghệ nước thải chứa phóng xạ 52 Hình 3.8 Sơ đồ công nghệ xử lý chất thải rắn chứa phóng xạ 58 vii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nước thải chứa phóng xạ nói chung nước thải ngành khai thác chế biến quặng phóng xạ nói riêng chưa quan tâm xử lý Việt Nam Do vậy, việc nghiên cứu công nghệ xử lý loại nước thải cần thiết Nhiều loại vật liệu hấp phụ nghiên cứu ứng dụng nhiều nước giới để xử lý nước thải chứa phóng xạ Tuy nhiên, Việt Nam, việc chế tạo sử dụng vật liệu hấp phụ để xử lý nước thải chứa phóng xạ chưa nghiên cứu Trong đó, vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ khoáng vật tự nhiên nước ta lại phong phú, sẵn có giá thành thấp Do vậy, đề tài định hướng nghiên cứu khả xử lý nước thải chứa phóng xạ vật liệu hấp phụ chế tạo từ khoáng bentonit tự nhiên Việt Nam Lịch sử nghiên cứu Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu cơng nghệ xử lý chất thải phóng xạ Đối với chất thải phóng xạ dạng lỏng, có số cơng nghệ xử lý kết tủa, trao đổi ion/hấp phụ, bay hơi, siêu lọc, vi lọc, tách chiết dung môi, v.v Trong số công nghệ nêu trên, công nghệ hấp phụ/trao đổi ion nghiên cứu ứng dụng rộng rãi Các tài liệu nghiên cứu cho thấy, chế tạo vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ khống tự nhiên có khả hấp phụ cao kim loại nặng nói chung chất phóng xạ nói riêng với chi phí thấp hướng ưu tiên lĩnh vực chế tạo vật liệu ứng dụng để xử lý môi trường Tại Việt Nam, vật liệu khống tự nhiên có khả ứng dụng để xử lý môi trường bentonit, zeolite, apatite, laterite, v.v phong phú đa dạng Khả hấp phụ kim loại nặng thông thường loại vật liệu chứng minh qua nhiều tài liệu nghiên cứu Tuy nhiên, việc nghiên cứu khả điều kiện hấp phụ tối ưu vật liệu khống chất phóng xạ chưa nghiên cứu nhiều Việt Nam [11] Liu H.D., Li F.Z., Zhao X (2008), “Preparation of high surface area porous potassium titanium hexacynoferrate/SiO2 bead for radioactive waste water treatment”, Chiness Journal of Inorganic Chemistry, 24, pp 1657-1663 [12] R O Abdel Rahman, H A Ibrahium and Yung-Tse Hung (2011), “Liquid Radioactive Wastes Treatment: A Review”, Water 2011, 3, pp 551-565; doi:10.3390/w3020551, ISSN 2073-4441 [13] Ren J.S., Mu T., Yang S.Y., Zhao Y.J., Luo S.Q (2008), “Treatment of high salinity low level radioactive wastewater containing uranium and plutonium by flocculation”, Journal of Nuclear Radiochem, 30, pp 201-205 [14] Syed Hakimi Sakuma, Nik Marzukee, Mohd Khairuddin (2003), Comnined treatment of aqueous radioactive waste containing uranium, thorium and radium radionuclides by chemical precipitation and laterite soil sorbent, IAEA, VIENNA, IAEA-TECDOC-1336; ISBN92–0–100903–8 [15] Shuguang Deng (2008), Sorbent Technology, Chemical Engineering Department - New Mexico State University, New Mexico, U.S.A [16] Nguyen Ba Tien, Tran Van Quy (2011), “Study of the Treatment of the Liquid Radioactive Waste Nong Son Uranium Ore Processing”, VNU Journal of Science, Earth Sciences, 27(2011), tr 39-46 [17] Xiguang Su, Suxi Zheng, Jun Yao, Zhongmao Gu (2010), “Application of inorganic sorbents in combination with ultrafiltration membrance technology for the treatment of low-level radioactive liquid waste streams”, IAEATECDOC-1336, ISBN 92–0–100903–8, ISSN 1011–4289 Tài liệu tiếng Việt: [18] Nguyễn Đình Bảng (2004), Giáo trình phương pháp xử lý nước nước thải, Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà Nội [19] [3] Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kĩ thuật xử lý nước nước thải, Nhà xuất Thống kê, Hà Nội [20] Đặng Văn Đường nnk (2003), “Quá trình trao đổi hai loại cation Na+, Cs+ Zeolit NaA ứng dụng thử nghiệm xử lý mẫu nước nhiễm phóng xạ 137Cs”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Hóa học toàn quốc lần thứ IV [21] Thân Văn Liên nnk (2007), “Nghiên cứu xử lý thải rắn thu sau trình kết tủa Urani kỹ thuật phần kết tủa đồng vị phóng xạ thu xử lý 62 thải lỏng”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Mỏ toàn quốc lần thứ XVIII [22] Thân Văn Liên (2004), Thuỷ luyện quặng urani, Nhà xuất Đại học Quốc gia, Hà Nội [23] Thân Văn Liên nnk (2006), “Thu hồi urani số kim loại nặng từ dung dịch phương pháp hấp phụ bentonit”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ VI, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [24] Thân Văn Liên nnk (2012), Báo cáo Tổng kết Đề tài KHCN cấp Nhà nước “Xử lý mẫu công nghệ thu nhận urani” thuộc Đề án thăm dò quặng urani khu Pà Lừa – Pà Rồng, huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam, Hà Nội [25] Nguyễn Trung Sơn nnk (2007), “Nghiên cứu xử lý thải lỏng trình thủy luyện Urani”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Mỏ toàn quốc lần thứ XVIII [26] Đỗ Quý Sơn, Huỳnh Văn Trung (2008), Cơ sở hóa học phóng xạ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [27] Nguyễn Bá Tiến nnk (2006), “Nghiên cứu sử dụng chất hấp phụ sinh khối để tách Urani Thori khỏi chất thải phóng xạ dạng lỏng”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh Học, 11(3), tr 16-18 [28] Nguyễn Bá Tiến (2010), Bài giảng Các phương pháp xử lý chất thải phóng xạ, Trung tâm Xử lý Chất thải phóng xạ Mơi trường - Viện Cơng nghệ Xạ hiếm, Hà Nội [29] Phan Đình Tuấn nnk (2002), “Thu hồi Urani từ nước thải nhựa trao đổi ion bazo mạnh”, Tạp chí Hóa học, 40(4), tr.3 [30] Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Luyện kim (2016), Báo cáo tổng kết đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu, chế tạo vật liệu hấp phụ cơng nghệ xử lý nước thải chứa phóng xạ ngành khai thác chế biến quặng phóng xạ” 63 PHỤ LỤC Giấy xác nhận sử dụng số liệu đề tài Phiếu kết phân tích Một số hình ảnh thực luận văn 64 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc GIẤY XÁC NHẬN V/v đồng ý sử dụng số liệu đề tài để thực luận văn thạc sỹ - Họ tên: Nguyễn Thúy Lan - Ngày, tháng, năm sinh: 24/6/1975 Học hàm, học vị: Tiến sỹ - Chức danh khoa học: Nghiên cứu viên Chức vụ: Giám đốc Trung tâm - Cơ quan công tác: Trung tâm Môi trường Công nghiệp, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Luyện kim - Địa chỉ: Số 79 An Trạch, Quốc Tử Giám, Đống Đa, Hà Nội - Điện thoại: 04.3845.7515/0942.199.049 Email: lan@cie.net.vn Là chủ nhiệm đề tài cấp Nhà nước: “Nghiên cứu, chế tạo vật liệu phấp phụ công nghệ xử lý nước thải chứa phóng xạ ngành khai thác chế biến quặng phóng xạ” Mã số đề tài: ĐT.07.14/CNMT, thuộc Đề án phát triển ngành công nghiệp môi trường Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Bằng văn này, đồng ý cho phép học viên Đinh Văn Tôn, mã số CB140359, sử dụng số liệu đề tài để thực luận văn thạc sỹ kỹ thuật với tên đề tài là: “Nghiên cứu xử lý nước thải chứa phóng xạ vật liệu hấp phụ chế tạo từ khoáng bentonit tự nhiên” Mã số đề tài: 2014BQLMT-KT11 Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên Môi trường, giao theo Quyết định số 3967/QĐ-ĐHBKSĐH ngày 12/10/2015 Hiệu trưởng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hà Nội, ngày 08 tháng 11 năm 2016 Xác nhận quan công tác Chủ nhiệm đề tài TS Nguyễn Thúy Lan Một số hình ảnh thực luận văn Máy đo pH Hanna Máy đo quang Dr2800 Máy khuấy từ có gia nhiệt Hóa chất phân tích Hach Hóa chất điều chỉnh pH Hóa chất keo tụ trợ lắng Mẫu thí nghiệm ban đầu Điều chỉnh giá trị pH khác Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Phân tích mẫu nước thải Mơ hình thí nghiệm xử lý nước thải cơng suất 20 L/h ... thải chứa phóng xạ Tuy nhiên, Việt Nam, việc chế tạo sử dụng vật liệu hấp phụ để xử lý nước thải chứa phóng xạ chưa nghiên cứu Trong đó, vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ khống vật tự nhiên nước ta... vi nghiên cứu: + Đối tượng nghiên cứu: Mẫu nước thải pha chế phịng thí nghiệm; nước thải chứa phóng xạ ngành khai thác chế biến quặng phóng xạ; vật liệu hấp phụ chế tạo từ khoáng bentonit tự nhiên. .. thành thấp Do vậy, đề tài định hướng nghiên cứu khả xử lý nước thải chứa phóng xạ vật liệu hấp phụ chế tạo từ khoáng bentonit tự nhiên Việt Nam Lịch sử nghiên cứu Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu