Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải nhiễm florua bằng quặng khoáng tự nhiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoàng Minh Châu NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHIỄM FLORUA BẰNG QUẶNG KHOÁNG TỰ NHIÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoàng Minh Châu NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHIỄM FLORUA BẰNG QUẶNG KHỐNG TỰ NHIÊN Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phương Thảo Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Phương Thảo người giao đề tài tận tình bảo, hướng dẫn em suốt trình hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn thầy, giáo phịng thí nghiệm Hóa Mơi Trường, thầy, giáo khoa Hóa Học – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQGHN anh, chị bạn phịng thí nghiệm Hố Môi trường tạo điều kiện giúp đỡ để em trình thực luận văn Hà Nội, 2014 Học viên Hoàng Minh Châu Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1.Laterit 1.1.1.Giới thiệu laterit 1.1.2 Thành phần đặc điểm laterit 1.1.3 Tình hình nghiên cứu sử dụng laterit 1.2 Florua phương pháp xử lý florua 1.2.1 Nguồn gốc phân bố florua 1.2.2 Tính chất vật lí hóa học florua 1.2.3 Độc tính florua 1.2.4 Tình hình nhiễm florua Việt Nam 1.2.5 Các phương pháp xử lý florua 12 CHƯƠNG - THỰC NGHIỆM 19 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận văn 19 2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 19 2.1.2 Nội dung nghiên cứu 19 2.2 Hóa chất dụng cụ 19 2.2.1 Hóa chất .19 2.2.2 Dụng cụ thiết bị: 21 2.3 Các phương pháp thực nghiệm .21 2.3.1 Lấy mẫu bảo quản mẫu 21 2.3.2 Chuẩn bị vật liệu hấp phụ florua từ laterit 23 2.4 Phương pháp nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vật liệu 23 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) .23 2.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 25 2.4.3 Phương pháp tán xạ lượng EDX .26 2.5 Phân tích florua phương pháp Xynenol da cam 27 2.6 Phương pháp khảo sát khả hấp phụ vật liệu 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .33 3.1 Khảo sát mức độ ô nhiễm florua nước thải nhà máy phân lân Văn Điển 33 3.1.1 Kết xây dựng đường chuẩn phân tích florua, photphat silicat 33 3.1.2 Khảo sát mức độ ô nhiễm florua nước thải nhà máy phân lân Văn Điển 35 3.2 Khảo sát khả hấp phụ florua laterit thô 38 3.2.1 Khảo sát thời gian cân hấp phụ .38 3.2.2 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu thô 39 3.3 Nghiên cứu điều kiện biến tính nhằm nâng cao tải trọng hấp phụ florua laterit thô .41 3.3.1 Hoạt hóa axit 41 3.3.2 Ngâm tẩm với nhôm clorua 42 3.3.3 Hoạt hóa axit ngâm tẩm với nhơm .43 3.4 Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vật liệu 45 3.4.1 Hình ảnh bề mặt vật liệu thơng qua kính hiển vi điện tử quét SEM 45 3.4.2 Kết xác định cấu trúc theo phương pháp XRD 47 3.5 Đánh giá khả hấp phụ florua vật liệu sau biến tính .48 3.5.1 Xác định thời gian cân hấp phụ .48 3.5.2 Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt theo hai mơ hình Langmuir 49 3.5.3 Ảnh hưởng ion cạnh tranh đến trình hấp phụ 52 KẾT LUẬN .59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Kết tỉ lệ % mắc bệnh Fluorosis theo giới tính ba huyện Tây Sơn An Nhơn, Vân Canh 10 Bảng 1.2 Kết tỉ lệ % mắc bệnh Fluorosis theo độ tuổi ba huyện Tây Sơn An Nhơn, Vân Canh 10 Bảng 3.1 Mối quan hệ nồng độ florua độ hấp thụ quang (ABS) theo phương pháp Xylenol da cam 33 Bảng 3.2: Mối quan hệ nồng độ SiO32- độ hấp thụ quang (ABS) 34 Bảng 3.3 Mối quan hệ nồng độ photphat độ hấp thụ quang (ABS) 35 Bảng 3.4 Kết phân tích mẫu nước thực tế lấy từ nhà máy phân lân Văn Điển: 36 Bảng 3.5 Thời gian cân hấp phụ vật liệu laterit thô .38 Bảng 3.6 Kết khảo sát tải trọng hấp phụ vật liệu laterit thô 40 Bảng 3.7 Kết khảo sát khả hấp phụ florua vật liệu hoạt hóa axit .42 Bảng 3.8 Kết khảo sát khả hấp phụ florua vật liệu hoạt hóa Al3+ .43 Bảng 3.9 Kết khảo sát khả hấp phụ florua vật liệu hoạt hóa axit ngâm tẩm với Al3+ 44 Bảng 3.10 Thời gian cân hấp phụ vật liệu laterit biến tính 48 Bảng 3.11 Kết khảo sát tải trọng hấp phụ vật liệu laterit biến tính 49 Bảng 3.12 So sánh tải trọng hấp phụ vật liệu laterit hoạt hóa với vật liệu khác 51 Bảng 3.13 Ảnh hưởng PO43- đến khả hấp phụ vật liệu laterit biến tính 52 Bảng 3.14 Ảnh hưởng SiO32- đến khả hấp phụ vật liệu laterit biến tính .54 Bảng 3.15 Ảnh hưởng NO3- đến khả hấp phụ vật liệu laterit biến tính 55 Bảng 3.16 Ảnh hưởng Cl- đến khả hấp phụ vật liệu laterit biến tính 56 Bảng 3.17 Ảnh hưởng HCO3- đến khả hấp phụ vật liệu laterit biến tính 57 i DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ q trình laterit hóa Hình 2.1 Tia tới tia phản xạ tinh thể .24 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét 25 Hình 2.3 Nguyên lý phép phân tích EDX 27 Hình 2.4 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 29 Hình 2.5 Đồ thị dạng tuyến tính phương trình Langmuir .30 Hình 2.6 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 31 Hình 2.7 Đồ thị dạng tuyến tính phương trình Freundlich .31 Hình 3.1 Đồ thị đường chuẩn phân tích florua 33 Hình 3.2 Đường chuẩn phân tích silicat .34 Hình 3.3 Đồ thị đường chuẩn phân tích photphat 35 Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ laterit thơ 39 Hình 3.5 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir laterit thô .40 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh tải trọng hấp phụ cực đại laterit hoạt hóa axit nồng độ khác .42 Hình 3.7 Biểu đồ so sánh tải trọng hấp phụ cực đại laterit ngâm tẩm Al3+ nồng độ khác 43 Hình 3.8 Biểu đồ so sánh tải trọng hấp phụ cực đại laterit hoạt hóa HCl1M ngâm tẩm Al3+ nồng độ khác 45 Hình 3.9 Hình ảnh bề mặt vật liệu laterit thơ qua kính hiển vi điện tử qt SEM 46 Hình 3.10: Hình ảnh bề mặt vật liệu laterit sau biến tính qua kính hiển vi điện tử quét SEM 46 Hình 3.11 Giản đồ XRD vật liệu laterit thô 47 Hình 3.12 Giản đồ XRD vật liệu laterit sau biến tính .47 Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ laterit biến tính .49 ii Hình 3.14 Phương trình tuyến tính Langmuir mơ tả trình hấp phụ florua 50 Hình 3.15 Phổ EDX laterit hấp phụ florua 51 Hình 3.16 Đồ thị ảnh hưởng PO43- đến khả hấp phụ laterit biến tính 53 Hình 3.17 Đồ thị ảnh hưởng SiO32- đến khả hấp phụ laterit biến tính 54 Hình 3.18 Đồ thị ảnh hưởng NO3- đến khả hấp phụ vật liệu laterit biến tính 55 Hình 3.19 Đồ thị ảnh hưởng Cl- đến khả hấp phụ vật liệu laterit biến tính56 Hình 3.20 Đồ thị ảnh hưởng HCO3- đến khả hấp phụ laterit biến tính .58 iii Danh mục chữ viết tắt ABS Độ hấp thụ quang (Absorbance) EDX Phổ tán xạ lượng tia X (Energy-Dispersive X-ray spectroscopy ) SEM Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X (X Rays Diffraction) QCVN Quy chuẩn Việt Nam NS-VSMTNT Nước – Vệ sinh môi trường nông thôn TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam M1 Laterit thô M2 Laerit biến tính iv Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ laterit biến tính Qua đồ thị ta thấy 120 phút đầu tiên, tải trọng hấp phụ tăng dần theo thời gian sau khơng tăng nữa, q trình hấp phụ đạt cân Do đó, nghiên cứu trình hấp phụ vật liệu laterit hoạt hóa tiến hành với thời gian 120 phút 3.5.2 Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt theo hai mơ hình Langmuir Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ sử dụng để mơ tả q trình laterit biến tính hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Bảng 3.11 Kết khảo sát tải trọng hấp phụ vật liệu laterit biến tính C0( mg/L) Ce (mg/L) qe (mg/g) Ce/qe lnCe lnqe 1,08 0,20 5,54 0,08 -1,63 10 2,41 0,38 6,33 0,88 -0,97 20 5,52 0,72 7,63 1,71 -0,32 40 16,26 1,19 13,69 2,79 0,17 60 27,94 1,60 17,43 3,33 0,47 80 33,46 2,33 14,38 3,51 0,84 100 52,49 2,38 22,09 3,96 0,87 49 Bằng cách thay đổi nồng độ florua dung dịch hấp phụ từ đến 100 mg/L 1g vật liệu laterit hoạt hóa, tải trọng hấp phụ vật liệu laterit hoạt hóa xác định sau thời gian cân 120 phút biểu diễn dạng đại lượng Ce/qe, lnCe, lnqe để thiết lập phương trình dạng tuyến tính Langmuir Các phương trình tuyến tính biểu diễn hình 3.12 với kết thực nghiệm thu biểu diễn bảng 3.11 Hình 3.14 Phương trình tuyến tính Langmuir mơ tả q trình hấp phụ florua vật liệu laterit biến tính Từ phương trình dạng tuyến tính mơ hình Langmuir, ta tính tải trọng hấp phụ cực đại florua vật liệu biến tính là: qmax =1/0,3115 = 3,21 (mg/g) Như từ vật liệu laterit thơ có tải trọng hấp phụ cực đại 0,95 mg/g, sau biến tính tải trọng hấp phụ cực đại tăng lên 3,21 mg/g Quá trình hoạt hóa laterit làm tăng khả loại bỏ F-, tải trọng tăng lên 3,38 lần so với vật liệu ban đầu Để kiểm tra có mặt F- bề mặt vật liệu biến tính sau hấp phụ tiến hành chụp EDX thu kết sau: 50 Hình 3.15 Phổ EDX laterit hấp phụ florua Trên giản đồ EDX xuất píc đặc trưng florua, chứng tỏ florua bị hấp phụ lưu giữ vật liệu So sánh với tải trọng hấp phụ florua vật liệu khác, ta có kết bảng 3.12 Bảng 3.12 So sánh tải trọng hấp phụ vật liệu laterit hoạt hóa với vật liệu khác STT Vật liệu Tải trọng hấp phụ (mg/g) TLTK Than hoạt tính 0,075 [23] Sét biến tính 0,08 [23] Laterit thơ 0,95 kết luận văn Nhơm hoạt tính 0,96 [23] Than xương 2,71 [23] Bùn đỏ 2,82 [23] Sắt hydroxit [23] Laterit hoạt hóa 3,21 kết luận văn Hỗn hợp sắt, nhôm oxit 12 [23] 10 Hỗn hợp sắt, nhôm, xeri oxit 12,2 [23] 51 Kết cho thấy laterit sau biến tính có tải trọng hấp phụ florua cao nhiều vật liệu thường sử dụng xử lý florua Ta thấy q trình hoạt hóa laterit làm tăng khả loại bỏ F-, đặc biệt đưa Al3+ có lực cao với F- vào laterit thô phương pháp hiệu để tăng khả hấp phụ F- tăng hiệu sử dụng quặng khoáng tự nhiên xử lý nguồn nước ô nhiễm florua cao nước thải công nghiệp 3.5.3 Ảnh hưởng ion cạnh tranh đến trình hấp phụ Qua kết khảo sát nồng độ F- có nước thải nhà máy phân lân Văn Điển thấy ngồi nồng độ F- nước thải nhà máy có hàm lượng lớn ion khác PO43-, SiO32-, Do để xem xét khả ứng dụng vật liệu, thực tế nước ô nhiễm F- thường chứa ion khác cạnh tranh với Ftrong q trình hấp phụ Chúng tơi tiến hành khảo sát ảnh hưởng số anion đến khả hấp phụ F- vật liệu laterit hoạt hóa vật liệu có dung lượng hấp phụ Các anion lựa chọn khảo sát gồm: SiO32-, PO43-, Cl-, HCO3-, NO3- a Ảnh hưởng photphat trình hấp phụ florua Lấy 1g vật liệu laterit biến tính ngâm 50 ml dung dịch khảo sát lắc 4h, đem phân tích lượng F- lại ta thu bảng sau: Bảng 3.13 Ảnh hưởng PO43- đến khả hấp phụ vật liệu laterit biến tính C(P) (mg/l) C0 (mg/l) Ce (mg/l) qe (mg/g) 17,69 13,66 0,20 17,81 13,66 0,21 17,81 14,14 0,18 17,81 14,73 0,15 17,81 15,08 0,14 10 17,93 15,20 0,14 Từ kết bảng 3.13, đồ thị mô tả mối quan hệ nồng độ ion ảnh hưởng dung lượng hấp phụ thể hình 3.16 52 Hình 3.16 Đồ thị ảnh hưởng PO43- đến khả hấp phụ laterit biến tính Từ đồ thị ta nhận thấy ainon PO43- nồng độ thấp ( mg/L, SiO32- > mg/L, Cl- > 300 mg/L, HCO3- > 100 mg/L bắt đầu gây ảnh hưởng bất lợi đến trình hấp phụ F- Dung lượng hấp phụ florua vật liệu laterit biến tính có mặt 10 mg PO43-/L, 25 mg SiO32-/L, 500 mg Cl-/L 500 mg HCO3-/L giảm 33%, 59%, 20% 30% 58 KẾT LUẬN Trong trình thực luận văn nghiên cứu sử dụng laterit làm vật liệu xử lý florua nước thải công nghiệp, thu số kết sau đây: Đã đánh giá mức độ ô nhiễm florua nước thải nhà máy phân lân Văn Điển Kết cho thấy nồng độ florua nước thải xỉ thải cao, vượt tiêu chuẩn cho phép Nồng độ silicat photphat mức cao so với tiêu chuẩn cho phép nước thải loại A Biến tính thành cơng laterit thơ cách hoạt hóa với axit HCl 1M ngâm tẩm Al3+ 5% nhằm tăng cường hiệu xử lý florua Đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá đặc tính vật liệu laterit trước sau biến tính thơng qua phương pháp SEM, XRD Nghiên cứu khả hấp phụ florua vật liệu cho thấy: vật liệu laterit thơ vật liệu biến tính đạt cân hấp phụ sau 120 phút Tải trọng hấp phụ cực đại xác định 0,95 mg/g 3,21 mg/g Các số liệu thực nghiệm thu được mơ tả tốt mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Nghiên cứu ảnh hưởng anion PO43-, SiO32-, NO3-, Cl-, HCO3- đến trình hấp phụ F- vật liệu laterit biến tính cho thấy ion NO3- không ảnh hưởng đến khả hấp phụ F- khoảng nồng độ khảo sát, ion lại nồng độ cao gây ảnh hưởng bất lợi đến trình hấp phụ F- Dung lượng hấp phụ florua vật liệu laterit biến tính giảm 33%, 59%, 20% 30% có mặt 10 mg/L PO43-, 25 mg/L SiO32-, 500 mg/L Cl- 500 mg/L HCO3- Các kết nghiên cứu chứng minh laterit biến tính vật liệu có dung lượng hấp phụ florua tốt, vật liệu tiềm xử lý florua với đối tượng nguồn thải ô nhiễm từ trình sản xuất công nghiệp 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Ngọc Ban (2007), Giáo trình thực tập Hóa lý, NXB Đại học quốc gia Hà nội Trần Văn Hiến (2011), Phân bón nơng nghiệp vấn đề nhiễm mơi trường, Viện lúa đồng sông Cửu Long QCVN 24: 2009, Ban soạn thảo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước, Tổng cục Môi trường Vụ Pháp chế, Thông tư số 25/2009/TT-BTNMT ngày 16 tháng 11 năm 2009, Bộ Tài nguyên Môi trường GS TSKH Lê Huy Bá cộng (2000), Độc học môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kĩ thuật xử lí nước nước thải, NXB Thống kê, Hà Nội GS TSKH Lê Huy Bá (2007), Sinh thái môi trường đất, Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh Đỗ Ngọc Kh, Tơ Văn Thiệp, Nguyễn Văn Hồng, Đỗ Bình Minh (2007), “Nghiên cứu đặc điểm đường đẳng nhiệt hấp phụ nitroglyxerin từ pha lỏng số loại than hoạt tính”, Tạp chí Hóa học, T.45 (5), Tr 619-623 Nguyễn Xuân Lăng (2003), Nghiên cứu xử lý flo cho nước thải nhà máy sản xuất phân lân, Báo cáo khoa học, Viện Hóa học Cơng nghiệp, Hà Nội Phạm Luận, giáo trình mơi trường trắc quan môi trường, Đại học Khoa học tự nhiên Đại học Quốc Gia Hà Nội 10 Hoàng Nhâm (2003), Hóa học vơ cơ, Tập 2, NXBGD 11 Phạm Luận (1999), Giáo trình hướng dẫn vấn đề sở kỹ thuật xử lý mẫu phân tích, Đại học Khoa học tự nhiên Đại học Quốc Gia Hà Nội 12 Lê Tự Thành, Tơ Tình Thiên Ý, “Kết bước đầu nghiên cứu ô nhiễm flo nước ngầm huyện Ninh Phước-tỉnh Ninh Thuận”, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên-ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh 13 Hồng Nhâm (2005), Hóa vơ cơ, tập III, NXB GD, Hà Nội 60 Tiếng Anh 14 Cusker Mc L.B (1998), “Product characterization by X-Ray powder diffraction”, Micropor Mesopor Mater, 22, pp 495-666 15 Moseley, H G J (1913), The high frequency spectra of the elements, Phil Mag, pp 1024 16 Ian M Watt (1997), The principle and practice of electron microscopy, Cambrige University Press 17 Amit Bhatnagar, Eva Kumar, Mika Sillanpää (2011), “Fluoride removal from water by adsorption”, Chemical Engineering Journal 171 811–840 18 M Wilson, K K G Smith, M Simmons, B Raguse (2002), Nano technology, Basic Science and Emerging Technologies, A CRC Press Company 19 Paripurnanda Loganathan, Saravanamuthu Vigneswaran, Jaya Kandasamy, Ravi Naidu (2013), “Review - Defluoride dation of drinking water using adsorption processes”, Journal of Hazardous Materials 248-249, pp 1-19 20 Sakar M., Banerjee A., Pramanick P.P., Sarkar A.R.(2006), “Use of laterite for the removal of fluoride from contaminated drinking water”, J Colloid Interface Sci.302, pp.432-441 21 Nan Chen, Zhenya Zhang, Chuanping Feng, Miao Li, (2010), “An excellent fluoride sorption behavior of ceramic adsorbent”, Journal of Hazardous Materials, 183, pp.460-465 22 Arnold Greenberg (1985), Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 16th Edition, American Public Health Association, Washington, DC 23 Han Liu, Shubo Deng, et al., (2010), “Preparation of Al-Ce hybrid adsorbent and its application for defluoridation of drinking water”, Journal of Hazardous Materials179, 424-430 24 Bjorvatn K, Bardsen A, Tekle-Haimanot R, “Defluoridation of drinking water by the use of clay/soil”, 2nd International Workshop on Fluorosis Prevention and Defluoridation of Water 61 25 Brajesh K.Shrivastava and Vani A (2009), “Comparative Study of Defluoridation Technologies in India”, Asian J.Exp.Sci, 23(1), pp.269-274 26 Han Liu, Shubo Deng, et al., (2010), “Preparation of Al-Ce hybrid adsorbent and its application for defluoridation of drinking water”, Journal of Hazardous Materials179, 424-430 27 Maliyekkal S.M., Shukla S., Philip L., Nambi I.M.(2008), “Enhanced fluoride removal from dinking water by magnesia amended activated alumina granules”, Chem.Eng, J.140, 183-192 62 ... đánh giá hiệu xử lý kiểm soát chất lượng nước thải trước thải môi trường Xuất phát từ thực tế đó, chúng tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu khả xử lý nước thải nhiễm Florua quặng khoáng tự nhiên? ?? với mong... HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoàng Minh Châu NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHIỄM FLORUA BẰNG QUẶNG KHOÁNG TỰ NHIÊN Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 60440120... 3.1.2 Khảo sát mức độ ô nhiễm florua nước thải nhà máy phân lân Văn Điển Trước vào nghiên cứu khả hấp phụ florua vật liệu nước thải thực tế tiến hành khảo sát mức độ ô nhiềm florua nước thải nhà