Thông tin tài liệu
Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 26-35 Nghiên cứu khả hấp phụ As(V) môi trường nước bã bùn đỏ Tây Nguyên sau tách loại hoàn tồn nhơm thành phần tan kiềm Phạm Thị Mai Hương1,*, Trần Hồng Côn2, Trần Thị Dung2 Khoa Cơng nghệ Hóa học, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội, 298 Cầu Diễn, Hà Nội, Việt Nam Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 19 Lê Thánh Tông, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 13 tháng 12 năm 2016 Chỉnh sửa ngày 08 tháng 02 năm 2017; Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 03 năm 2015 Tóm tắt: Bùn đỏ Tây Nguyên, bùn thải trình sản xuất nhôm từ quặng bauxite chứa số oxit kim loại sắt oxit, nhôm oxit, silic oxit, titan oxit…nhưng oxit sắt chiếm đến 45% ÷ 55%, nguyên nhân tạo màu đỏ đặc trưng bùn đỏ Oxit sắt dạng oxyhidroxit sắt (FeOOH) chất có khả hấp phụ cao kim loại nặng As, Pb, Cu, Cd,…Trong báo tiến hành tách loại nhôm oxit số oxit kim loại tan kiềm từ bùn đỏ Tân Rai (Tây Nguyên) dung dịch NaOH, vật liệu thu chủ yếu dạng oxit, oxyhidroxit sắt không tan kiềm, rửa đến pH 7, đem sấy 60oC 24 h Vật liệu nghiên cứu khả hấp phụ Asen nước Kết thu pH = 5, thời gian cân hấp phụ 90 phút dung lượng hấp phụ As(V) vật liệu xác định theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir đạt 7,57 mg/g Từ khóa: Bùn đỏ Tây Nguyên, tách loại nhôm, hấp phụ As(V) Mở đầu sử dụng cho mục đích sinh hoạt người thường khoảng 100 đến 300 ppb, gấp hàng chục lần tiêu chuẩn cho phép [2] Trên giới Việt nam có nhiều đề tài nghiên cứu xử lý Asen nước với phương pháp kết tủa, oxy hóa, trao đổi ion… sử dụng với nhiều loại vật liệu khác đá ong biến tính, than hoạt tính, oxit kim loại dạng oxit sắt có khả hấp phụ cao với Asen ứng dụng rộng rãi [3, 4] Bùn đỏ (Red mud) chất thải rắn thải từ trình tinh luyện quặng bauxite để sản xuất Al2O3 theo công nghệ Bayer Bùn đỏ có độ kiềm cao, pH từ 11 đến 12 chứa hàm Asen chất độc hại môi trường nước, đặc biệt nước ngầm gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người, nguyên nhân gây nhiều bệnh ung thư nguy hiểm Hàng triệu người giới phải sử dụng nguồn nước ngầm có mức độ ô nhiễm Asen cao [1] Theo tổ chức Y tế giới (WHO), hàm lượng Asen cho phép nước ăn uống 10 ppb, thực tế hàm lượng Asen nước ngầm _ Tác giả liên hệ ĐT: 84-904355276 Email: phamthimaihuong75@yahoo.com.vn 26 P.T.M Hương nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 26-35 lượng lớn oxit kim loại Fe2O3, Al2O3, CaO, SiO2, TiO2… chủ yếu oxit sắt đạt đến 60% Trên thực tế để sản xuất Al2O3 thải đồng thời 1,5 bùn đỏ Theo Tập đồn Than khống sản Việt nam, với quy mô sản xuất Nhà máy nhôm Tân Rai Nhân Cơ sau khoảng 50 năm có 1,15 tỷ bùn đỏ tồn vùng đất Tây Nguyên, biện pháp xử lý triệt để vấn đề ô nhiễm môi trường nơi ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người Từ thành phần có sẵn bùn đỏ có nhiều nghiên cứu xử lý bùn đỏ theo hướng biến tính nhiệt, trung hịa axit làm vật liệu hấp phụ Asen H Soner Altundogan cộng hay kết nghiên cứu TS Vũ Đức Lợi, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam [5, 6] Trong báo xử lý bùn đỏ theo hướng thu hồi triệt để nhơm khảo sát tính chất dạng oxit/hydroxit sắt, biến đổi oxit/hidroxit sắt tìm điều kiện biến tính tốt để nâng cao khả hấp phụ Asen so với bùn đỏ nguyên khai, với mục tiêu giảm thiểu tác hại, biến chất thải nguy hại thành vật liệu thân thiện với môi trường Thực nghiệm 2.1 Chế tạo vật liệu Bùn đỏ Tân Rai lấy hồ chứa bùn thải nhà máy Alumin Tân Rai, tỉnh Lâm Đồng Mẫu bùn đỏ dạng khô, loại bỏ tạp chất học rễ cây, rác sinh hoạt, cát, đá, sỏi… Bùn đỏ thô sấy nhẹ 50-60oC, nghiền đến cỡ hạt 0,3 mm Vật liệu ký hiệu RM Bùn đỏ thô Tân Rai sấy nhiệt độ 60oC 24 h, nghiền nhỏ đến cỡ hạt 0,3 mm Cân lượng bùn đỏ tiến hành hòa tách 4h nhiệt độ 110oC dung dịch NaOH 4M Lọc tách phần dung dịch, phần chất rắn thu oxit sắt không tan kiềm dư Dùng nước cất rửa đến pH 7, tiến hành lọc, sấy khô 50oC- 60oC 24h (vật liệu thu ký hiệu RM- Fe), sấy 90oC nung 350oC, 800oC 27 4h (ký hiệu RM-Fe 90, RM-Fe 350, RM-Fe 800) 2.2 Nghiên cứu khả hấp phụ As (V) a) Quy trình thí nghiệm Các thí nghiệm tiến hành nhiệt độ phòng Cân 0,5 gam mẫu bùn đỏ biến tính cho vào 50 ml dung dịch As (V) có nồng độ xác định cho thí nghiệm điều chỉnh pH thích hợp theo yêu cầu Hỗn hợp đưa lên máy lắc với tốc độ lắc 150 v/ph thời gian xác định Sau dung dịch lọc qua giấy lọc băng xanh hàm lượng As (V) trước sau hấp phụ xác định phương pháp quang phổ nguyên tử kỹ thuật hiđrua hóa (HVG-AAS) máy quang phổ AA-7000 Shimazu Tiến hành tương tự với mẫu bùn đỏ thô (RM) để đối chứng Hiệu suất dung lượng hấp phụ vật liệu tính theo cơng thức: Trong : q : dung lượng hấp phụ thời điểm cân (mg/g chất hấp phụ) H : hiệu suất hấp phụ (%) C0 : nồng độ As (V) ban đầu (mg/l) Ce : nồng độ As (V) lại sau hấp phụ (mg/l) V : thể tích dung dịch As (V) (ml); m: khối lượng vật liệu (g) b) Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch As (V) ban đầu tới trình hấp phụ vật liệu RM, RM- Fe phân tích dựa hai mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ phổ biến Langmuir (phương trình 1) Frendlich (phương trình 2) : Trong đó: Cf: nồng độ cân ion chất hấp phụ (mg/l) P.T.M Hương nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 26-35 28 qmax : dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) KL : số hấp phụ Langmuir Kf, n : số Frendlich 2.3 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu Các mẫu vật liệu biến tính nghiên cứu đặc điểm hình thái, cấu trúc so sánh với mẫu bùn đỏ thơ chưa biến tính (RM) phương pháp phân tích nhiệt, nhiễu xạ tia X (X-Ray), tán xạ lượng EDX, phương pháp hiển vi điện tử quét SEM, phương pháp đẳng nhiệt - hấp phụ (BET) Kết thảo luận 3.1 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu a) Giản đồ phân tích nhiệt mẫu bùn đỏ biến tính RM-Fe Mẫu bùn đỏ sau tách loại nhôm đem chụp phân tích nhiệt Giản đồ phân tích nhiệt trình bày hình Fi gure: Experiment: RM-Fe-60C Crucible:PT 100 µl 09/12/2016 Procedure: RT > 900C (10 C.min-1) (Zone 2) Labsys TG Atmosphere:Air Mass (mg): 57.57 TG/% d TG/% /min 0.0 10 -0.5 Peak :88.23 °C Peak :305.85 °C -1.0 -1.5 Mass variati on: -2.59 % -2 -4 -2.0 -6 Mas s vari ation: -8.47 % -8 -2.5 -10 100 200 300 400 500 600 700 Furnace temperature /°C Hình Giản đồ phân tích nhiệt vật liệu RM-Fe Qua kết phân tích nhiệt (DTG) cho thấy xuất píc điểm 88,23oC 305,85oC, giá trị có nước hao hụt khối lượng Cụ thể, nhiệt độ 88,23oC làm giảm 2,59% khối lượng, nhiệt độ 305,85oC làm giảm 8,47% khối lượng nước thay đổi cấu trúc vật liệu Do lấy khoảng nhiệt độ làm để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung vật liệu biến tính b) Kết chụp EDX vật liệu Từ kết chụp EDX cho thấy hàm lượng oxit nhôm ban đầu mẫu bùn đỏ thô 13,36% khối lương, mẫu bùn đỏ biến tính RMFe hàm lượng oxit nhơm cịn lại 0,25% khối lượng Như vậy, sau dùng kiềm để hịa tách có đến 98% oxit nhơm tách khỏi mẫu bùn đỏ ban đầu Nhóm nghiên cứu tiến hành phân tích phương pháp hóa học để xác định hàm lượng oxit nhôm mẫu bùn đỏ biến tính phần dịch lọc lấy từ q trình hịa tách nhơm NaOH Theo phương pháp phân tích hóa học lượng oxit nhơm mẫu bùn đỏ thơ RM 13,37%, mẫu bùn đỏ biến tính RM-Fe 0,27%, cịn dịch lọc tách nhơm 13,08% (được xác định theo phương pháp chuẩn độ complexon quy đổi theo % khối lượng),có thể coi kết phân tích phương pháp đồng nhất, oxit nhôm tách bỏ khỏi mẫu bùn đỏ ban đầu b) (a) Hình Phổ EDX mẫu bùn đỏ thơ RM (a) bùn đỏ biến tính RM-Fe (b) P.T.M Hương nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 26-35 29 c) Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu RM RM- Fe VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau RM - 60C 300 290 280 270 (a) 260 250 240 230 220 210 200 190 Lin (Cps) 180 170 160 150 140 130 120 d=1.4512 d=1.6976 d=1.4865 30 d=1.8400 d=1.8662 40 d=2.2172 50 d=2.5182 60 d=2.4255 d=4.865 70 d=4.376 80 d=3.036 90 d=3.683 d=4.169 100 d=2.6972 110 20 10 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Huong-DHCN-RM-60C.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 09/23/16 10:13:43 29-0713 (I) - Goethite - FeO(OH) - Y: 18.58 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 33-0664 (*) - Hematite, syn - Fe2O3 - Y: 19.05 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 33-0018 (I) - Gibbsite, syn - Al(OH)3 - Y: 10.45 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 05-0586 (*) - Calcite, syn - CaCO3 - Y: 7.27 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 F a c u l ty o f C h e m is tr y , H U S , V N U , D A D V A N C E - B r u k e r - S a m p le R M - F e 30 29 28 (b) 27 26 25 24 d=1.697 d=1.491 17 d=1.921 Lin (Cps) 18 d=2.221 19 d=3.375 d=4.132 20 d=3.677 21 d=2.514 d=2.742 d=2.698 22 d=2.421 23 16 15 14 13 12 11 10 90 80 70 60 50 40 30 20 10 20 30 40 50 60 70 - T h e t a - S c a le F i le : H u o n g m a u R M - F e r a w - T y p e : T h / T h l o c k e d - S t a r t : 0 ° - E n d : 0 ° - S t e p : ° - S t e p t i m e : s - T e m p : ° C ( R o o m ) - T i m e S t a r t e d : s - - T h e t a : 0 ° - T h e t a : 0 ° - C h i : 0 - - ( C ) - H e m a t i t e , s y n - a l p h a - F e O - Y : % - d x b y : - W L : - R h o m b o H a x e s - a 0 - b 0 - c 7 0 - a l p h a 0 - b e t a 0 - g a m m a 0 - P r i m i t i v e - R - c - - ( C ) - G o e th i t e , s y n - F e O ( O H ) - Y : 0 % - d x b y : - W L : - O r t h o r h o m b i c - a - b 9 - c 0 - a l p h a 0 0 - b e t a 0 - g a m m a 0 - P r im i t i v e - P b n m ( ) - Hình Giản đồ nhiều xạ tia X (XRD) mẫu vật liệu RM (a) RM - Fe (b) Ở giản đồ nhiễu xạ tia X bùn đỏ thô RM, có thành phần oxit/hidroxit Goethite FeO(OH), Hematite Fe2O3 Gibbsite Al(OH)3, calcite CaCO3 Còn với mẫu bùn đỏ hịa tách dung dịch NaOH (vật liệu RMFe) giản đồ nhiễu xạ xuất Goethite FeO(OH) đỉnh píc đặc trưng với góc nhiễu xạ 2-theta-scale 4,1320; 2,4210 Hematit Fe2O3 với đỉnh pic đặc trưng góc nhiễu xạ 2-theta-scale, 2,698o; 2,514o Kết phân tích phương pháp nhiễu xạ tia X phù hợp với kết phân tích theo phương pháp hóa học, phương pháp tán xạ lượng EDX, oxit nhơm bị hịa tách khỏi mẫu bùn thô ban đầu, vật liệu thu cịn chứa Goethite, Hematite có khả hấp phụ tốt với Asen [7] So với Gibbsite Al(OH)3 Goethite FeO(OH) Hematite Fe2O3 có khả hấp phụ As (V) tốt [8] Để nghiên cứu biến đổi oxit/hidroxit sắt (ở Goethite Hematite) mẫu bùn đỏ biến tính sấy nung nhiệt độ khác RM-90oC, RM-350oC, RM-800oC, nhóm nghiên cứu tiến hành phân tích theo phổ nhiễu xạ tia X, kết tổng hợp bảng 30 P.T.M Hương nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 26-35 Bảng Dạng tồn oxit/hidroxit sắt nhôm mẫu bùn đỏ thô RM mẫu bùn đỏ biến tính Mẫu vật liệu RM RM -Fe RM -Fe 90 RM-Fe 350 RM-Fe 800 Dạng tồn oxit/hidroxit sắt nhôm Sắt Nhôm Goethite FeO(OH), Hematite Fe2O3 Gibbsite Al(OH)3 Goethite FeO(OH), Hematite Fe2O3 Goethite FeO(OH), Hematite Fe2O3 Hematite Fe2O3 Hematite Fe2O3 - Mẫu vật liệu RM-Fe 90 sấy nhiệt độ 90oC so với mẫu RM- Fe oxit/hidroxit sắt giữ nguyên dạng tồn tại, có biến đổi phần thành Fe2O3 nước tự do, phổ đồ cho thấy hàm lượng goethite giảm xuống, hàm lượng hematite tăng lên Tuy nhiên đến nhiệt độ cao 350oC có hao hụt khối lượng lớn nước FeO(OH), dạng Goethite chuyển thành Fe2O3 theo phản ứng [9]: 2FeOOH → Fe2O3 + H2O Kết phù hợp với kết nghiên cứu Alessandro cộng từ 250oC Goethite xảy trình nước, cịn đến nhiệt độ từ 500-700oC nước hồn tồn để tạo thành hematite [10] Do nhiệt độ 350oC 800oC vật liệu biến tính cịn thấy có xuất tinh thể hematite Fe2O3 Sự biến đổi liên quan đến diện tích bề mặt vật liệu khả hấp phụ As(V) d) Ảnh SEM vật liệu RM RM-Fe Từ hình ảnh SEM hai loại vật liệu trước sau biến tính ta thấy bùn đỏ thơ RM hạt vật liệu kết dính chặt với thành khối lớn, kết dính chủ yếu nhơm hydroxit tạo nên Cịn vật liệu biến tính RM-Fe với độ phóng đại 100.000 lần, thấy hạt vật liệu có dạng hình cầu sắc nét xếp ngẫu nhiên thành khối chồng lên bề mặt hạt vật liệu, điều chứng tỏ thành phần kết dính dạng Al(OH)3, Ca(OH)2 hay SiO2.H2O bị loại bỏ gần hoàn toàn, vật liệu cịn hạt oxit/hydroxit sắt kích thước cỡ nanomet.e) Kết xác định diện tích bề mặt riêng BET Để xác định rõ biến đổi bề mặt vật liệu biến tính nhiệt độ khác nhau, chúng tơi tiến hành xác định diện tích bề mặt riêng vật liệu trước sau biến tính theo phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ BET Kết xác định thể bảng 2: a Hình Ảnh SEM bùn đỏ thơ RM (a), bùn đỏ biến tính RM- Fe (b) b P.T.M Hương nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 26-35 Bảng Diện tích bề mặt riêng mẫu bùn đỏ thô (RM) mẫu bùn đỏ RM-Fe biến tính Diện tích bề mặt riêng BET (m2/g) 40,71 Mẫu Bùn đỏ thô RM RM- Fe RM –Fe 90 RM-Fe 350 RM- Fe 800 71,88 64,20 58,24 23,72 So với mẫu bùn đỏ thô ban đầu bùn đỏ sau tách nhơm có diện tích bề mặt lớn thành phần kết dính hạt oxit/hydroxit sắt làm giảm diện tích bề mặt vật liệu bị tách loại, bên cạnh kích thước hạt nhôm sắt ảnh hưởng đến diện tích riêng bề mặt vật liệu; nên tách nhơm khỏi bùn đỏ diện tích bề mặt riêng vật liệu tăng lên đáng kể [11] Diện tích bề mặt RM-Fe cao so với diện tích bề mặt vật liệu RM-Fe 90, RM-Fe 350, RM-Fe-800 có liên quan đến biến đổi dạng tồn biến đổi goethite FeOOH sang Hematite Fe2O3 Qua nghiên cứu cho thấy diện tích bề mặt 31 goethite cao so với hematite, dẫn đến diện tích bề mặt giảm tăng nhiệt độ hình thành hematite [7, 12] Kết phân tích đồ thị hình cho thấy đường hấp phụ giải hấp hai vật liệu RM RM- Fe thuộc kiểu IV,V theo phân loại IUPAC, đa số lỗ xốp vật liệu có kích thước trung bình Diện tích bề mặt riêng vật liệu RM-Fe tăng lên so với bùn đỏ thô ban đầu thuận lợi cho trình hấp phụ Asen 3.2 Đánh giá sơ khả hấp phụ vật liệu Để đánh giá sơ khả hấp phụ loại vật liệu RM thô, RM- Fe, RM Fe 90, RM-Fe 350, RM-Fe 800, nghiên cứu tiến hành mơ tả mục 2.2a với dung dịch As(V) có nồng độ ban đầu C0 = 1000 ppb, pH hấp phụ 5, thời gian tiếp xúc hai pha 150 phút Kết đánh giá hiệu suất hấp phụ trình bày hình Lượng chất hấp phụ (cm2 /g STP 120 100 (b) (a) 80 Hấp phụ Giải hấp 60 40 20 0 0.3 0.6 0.9 1.2 Áp suất tương đối P/Po Hình Đường hấp phụ giải hấp N2 phân bố kích thước lỗ xốp bùn đỏ thô RM (a) bùn đỏ RM-Fe (b) Hiệu suất (H%) 120 100 80 60 40 20 RM RM-Fe RM Fe 90 RM Fe 350 RM-Fe 800 Vật liệu Hình Hiệu suất hấp phụ As(V) vật liệu Từ kết thực nghiệm cho thấy vật liệu RM-Fe có hiệu suất hấp phụ As(V) cao đạt 95,7% với bùn đỏ chưa biến tính 69,5%, giá trị hấp phụ hồn tồn phù hợp với kết phân tích cấu trúc vật liệu Do lựa chọn vật liệu tách loại nhôm sấy 60oC (RM-Fe) để khảo sát bước P.T.M Hương nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 26-35 3.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Asen vật liệu a) Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ Lượng chất hấp phụ có ảnh hưởng đến khả phân tán chất bị hấp phụ lên bề mặt vật liệu, gây ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ Để lựa chọn lượng chất hấp phụ tốt cho trình hấp phụ, tiến hành cho 0,3; 0,5; 1; 2; g vật liệu khảo sát vào 50 ml dung dịch As(V) có nồng độ ban đầu 1000 ppb, tiến hành lắc thời gian 150 phút Kết khảo sát thể hình Theo kết khảo sát hai vật liệu bùn đỏ thơ bùn đỏ biến tính hiệu suất hấp phụ As(V) đạt giá trị cao phù hợp với lượng chất hấp phụ 0,5 g, hiệu suất RM 69,4%, với RM-Fe 95,5% Như với nồng độ ban đầu As không đổi, khối lượng vật liệu tăng không làm tăng hiệu suất hấp phụ với nồng độ cố định, tăng khối lượng chất hấp phụ cần diện tích bề mặt lớn hơn, điều với công thức tính hiệu suất hấp phụ mục 2.2.a, hiệu suất hấp phụ tỷ lệ nghịch với lượng chất hấp phụ [13] b) Ảnh hưởng pH Để khảo sát ảnh hưởng pH mẫu bùn đỏ RM RM-Fe tiến hành điều chỉnh pH dung dịch hấp phụ từ đến 10 dung dịch axit HCl NaOH 0,1M; dung dịch As(V) sử dụng có nồng độ ban đầu 1000 ppb thời gian tiếp xúc hai pha với 150 phút Hiệu suất hấp phụ tính theo cơng thức trình bày mục 2.1a kết trình bày hình Hiệu suất (H%) 100 120 RM -Fe RM 100 Hiệu suất (%) 32 80 60 40 20 0 10 12 pH Hình Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ As (V) vật liệu RM RM- Fe Từ kết hình cho thấy hiệu suất hấp phụ hai vật liệu tăng dần theo pH dung dịch, hiệu suất đạt giá trị ổn định cao pH từ 4-5, đến giá trị pH = hiệu suất bắt đầu giảm Điều có liên quan đến điện tích bề mặt vật liệu, có mặt nhóm hydroxyl OH- bề mặt vật liệu trao đổi proton (H+) Nhóm vừa có khả cho nhận proton theo độ pH dung dịch tiếp xúc với pha rắn Quá trình nhận proton bề mặt (S-OH + H+ ↔ SOH2+) xảy mơi trường axit, q trình nhường proton (S- OH ↔ S-O- + H+) lại xảy mơi trưởng kiềm [12, 14] Theo nghiên cứu As (V) tồn nước chủ yếu dạng H3AsO4, H2AsO4-, HAsO42-, AsO43-, pH = 2-6 dạng tồn chủ yếu H2AsO4-, pH =7 -10 tồn dạng HAsO42-, AsO43- [12,13] Các dạng tồn asen (V) hấp phụ bề mặt oxit/hidroxit sắt tạo thành phức monodentat theo phương trình [14]: 80 ≡ FeOH + H3AsO4 = ≡ FeH2AsO4 + H2O 60 RM thô 40 RM-Fe 20 ≡ FeOH + H2AsO4- = ≡ FeHAsO4- + H2O ≡ FeOH + HAsO42- = ≡ FeAsO42- + H2O 0 0.5 1.5 2.5 3.5 Lượng chất hấp phụ (g) Hình Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ RM RM-Fe Hơn điện tích điểm khơng (pHpzc) bùn đỏ nằm khoảng ÷ 8,5 [13], Hematite Fe2O3 6,7, goethite 6,8 [5,14] pH dung dịch hấp phụ thấp pHpzc, bề mặt vật liệu tích điện dương q trình hấp P.T.M Hương nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 26-35 33 phụ thuận lợi anion Trong As(V) chủ yếu tồn dạng anion nên giá trị pH hấp phụ tốt với As(V) môi trường pH < Kết thực nghiệm cho thấy hiệu suất hấp phụ As(V) cao với RM-Fe đạt 95,7% pH = 5, với RM 69,7% pH = [15] Chúng lựa chọn giá trị pH để khảo sát bước c) Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc Để khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu RM- Fe RM thô; thực nghiệm tiến hành với nồng độ As(V) ban đầu 1000 ppb; pH dung dịch với RM 4, với RM-Fe 5; thời gian tiếp xúc hai pha 30, 60,90,120,150,180 240 phút Kết trình bày hình Từ kết hình cho thấy thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu bùn đỏ thơ RM 120 phút, cịn vật liệu RMFe 90 phút Giá trị thời gian tiếp xúc hai pha sử dụng cho bước khảo sát 3.4 Nghiên cứu mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Các kết nghiên cứu trình hấp phụ As(V) vật liệu bùn đỏ thơ RM bùn đỏ biến tính RM-Fe phân tích dựa mơ hình đẳng nhiệt phổ biến Langmuir Frendlich Các thí nghiệm đươc tiến hành nhiệt độ phòng với nồng độ ban đầu As(V) tăng dần từ ppm đến 200 ppm, pH hấp phụ với RM; với RM-Fe, thời gian cân với RM RM-Fe 90 120 phút Kết khảo sát tải trọng hấp phụ vật liệu tính theo phương trình trình bày mục 2.2b đường hấp phụ đẳng nhiệt tương ứng thể hình 10 Hình Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ vật liệu RM RM-Fe Bảng Các thông số hai mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Frendlich vật liệu RM RM-Fe Vật liệu Đẳng nhiệt Frendlich N RM KF Đẳng nhiệt Langmuir R2 qmax (mg/g) KL R2 2,17 0,610 0,878 4,50 0,171 0,991 RM1,84 0,680 0,980 7,57 Fe 0,093 0,990 Từ đồ thị thấy trình hấp phụ ion As(V) vật liệu phù hợp với mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Frendlich Điều chứng tỏ tâm hấp phụ bề mặt vật liệu tương đối đồng tượng hấp phụ đơn lớp chiếm ưu Từ ta xác định giá trị thông số hai mô hình đẳng nhiệt hấp phụ, hệ số tương quan phương trình hồi quy, kết trình bày bảng Tải trọng hấp phụ As(V) vật liệu RM 4,50 mg/g, cịn với vật liệu biến tính RM-Fe tải trọng hấp phụ đạt 7,57 mg/g P.T.M Hương nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 26-35 Ce/qe 40 y = 0.222x + 1.291 R² = 0.991 30 log qe 34 20 y = 0.459x - 0.214 R² = 0.878 0.5 -0.5 10 (a) (b) -1 -1.5 30 60 90 120 150 180 -1 -0.5 0.5 1.5 2.5 Ce (mg/l) log Ce y = 0.132x + 1.412 R² = 0.990 1.5 log qe Ce/qe 20 15 10 y = 0.542x - 0.167 R² = 0.980 0.5 -0.5 (c) (d) -1 -1.5 20 40 60 80 100 120 140 Ce (mg/l) -2 -1.5 -1 -0.5 0.5 1.5 2.5 log Ce Hình 10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Frendlich vật liệu RM (a), (b) vật liệu RM-Fe (c), (d) Kết luận Bùn đỏ thô lấy nhà máy sản xuất Alumin Tân Rai tách loại nhôm thành phần tan kiềm dung dịch NaOH, vật liệu thu đem sấy nung nhiệt độ khác Các dạng vật liệu thu được phân tích cấu trúc đặc trưng khảo sát khả hấp phụ với As(V) môi trường nước Vật liệu biến tính RM-Fe sấy 60oC 24 h có khả hấp phụ cao As(V) pH 5, thời gian cân hấp phụ 90 phút, hiệu suất hấp phụ đạt 95,7%, dung lượng hấp phụ tối đa vật liệu theo mơ hình Langmuir đạt 7,57 mg/g Tài liệu tham khảo [1] D.K Nordstrom (2012), Worldwide occurrences of asenic in ground water, Science, Vol 296 (21), pp.2143-2145 [2] A.H.Smith, P.A Lopipero, M.N Bates, C.M Steinmaus (2002), Arsenic epidemiology and drinking water standards, Science, Vol 296 (21), pp.2145-2146 [3] S Dxit, J.G Hering (2003), Comparison of arsenate (V) and arsenic (III) sorption onto iron oxide minerals: implication for arsenic mobility, Environment Science Techlology Vol.37, pp 4142-4189 [4] J.I Zhang, R Stanforth, S.O Pehkonen (2008), Irreversible adsorption of methyl arsenic, arsenate and phosphate onto goethite in arsenic and phosphate binary system, Journal Colloid Interface Science Vol 317, pp 35-43 [5] H Soner Altundogan, Sema Altundogan, Fickert Tumen, Memnune Bildik (2001), Arsenic adsorption from aqueuous solution by activated red mud, Water Management Vol 22, pp.357-363 [6] Vũ Đức Lợi, Dương Tuấn Hưng, Nguyễn Thị Vân (2015), Nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý asen từ bùn đỏ biến tính, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, Vol 20, tr.140-151 P.T.M Hương nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 26-35 [7] Javier Gimenez, Maria Martınez , Joan de Pablo, Miquel Rovira, Lara Duro (2007), Arsenic sorption onto natural hematite, magnetite, and goethite, Journal of Hazadous Materials Vol.141, pp.575-570 [8] Dion E.Giles, Mamata Mohapatra, Touma B.Issa, Shashi Anand, Pritam Singh (2011), Iron and aluminium based adsorption strategies for removing arsenic from water, Journal of Environmental Management Vol 92, pp 3011-3022 [9] PGS.TS Nguyễn Đức Vận (2013), Hóa học vơ cơ, Tập 2- Các kim loại điển hình, NXB Khoa học kỹ thuật [10] Alessandro F.Gualtieri and Paolo Venturelli (1999), In situ study of the goethite-hematite phase transformation by real time syndrotron powder diffraction, American Mineralogist, Vol pp 895-904 [11] Youngran Jeong (2005), The adsorption of arsenic (V) by iron (Fe2O3) and aluminum (Al2O3) oxide, Restrospective These and Dissertation 35 [12] Yannick Mamindy-Pajany, Charlotte Hurel, Nicolas Marmier, Michele Rome (2008), Arsenic adsorption onto hematite and goethite, C.R Chimie, Vol 12, pp.876-881 [13] Ramesh Chandra Sahu, Raijkishore Patel, Bankim Chandra Ray (2010), Utilization of activated CO2- neutralized red mud for removal of arsenate from aqueous solution, Journal of Hazardous Materials, Vol 179, pp 1007-1013 [14] Suvasis dixit and Janet G Hering (2003), Comparison of arsenic (V) and arsenic (III) sorption onto iron oxide minerals: Implications for arsenic mobility, Environment Science Techlonogy, Vol 37, pp 4182-4189 [15] Paola Castaldi, Margherita Silvetti, Stefano Enzo, Pietro Melis (2010), Study of sorption processes and FT-IR analysis of arsenate sorbe onto red mud (a bauxite ore processing waste), Journal of Hazadous Materials Vol 175, pp.172-178 Study on the Adsorption of Arsenate in Aqueous Solution by Tay Nguyen Red Mud after Separating the Aluminium and other Soluble Components in Alkaline Solution
Pham Thi Mai Huong1, Tran Hong Con2, Tran Thi Dung2 Hanoi University of Industry, 298 Cau Dien, Hanoi, Vietnam VNU Hanoi University of Science, 19 Le Thanh Tong, Hanoi, Vietnam Abstract: Tay Nguyen red mud which is the waste material of alumina production from bauxite, contains some metal oxides such as iron oxide, aluminum oxide, silicon dioxide, titanium dioxide…in which iron oxide content ranges from 45% to 55% accounting for its red colour The iron oxide and oxyhydroxides (FeOOH) have high adsorption ability for heavy metals such as As, Pb,Cu, Cd… In this study, sodium solution was used to separate aluminum oxide and other metals which are soluble in alkaline solution, from Tay Nguyen red mud The new material containing only iron oxide, iron oxyhydroxide which are not soluble in alkaline solution was washed with distilled water until the pH of 7, then was dried at 60oC for 24h The new material was used to adsorb As(V) in aqueous solution The results showed that the optimum adsorption reached when pH was 5, the equilibrium time of 90 minutes and the adsorption capacity determined from Langmuir isothermal equation reached 7.57 mg/g for As(V).
Keywords: Tay Nguyen red mud, separated aluminium, adsorption of arsenate ... khác Các dạng v? ??t liệu thu được phân tích cấu trúc đặc trưng khảo sát khả hấp phụ v? ??i As( V) môi trường nước V? ??t liệu biến tính RM-Fe sấy 60oC 24 h có khả hấp phụ cao As( V) pH 5, thời gian cân hấp. .. 800 V? ??t liệu Hình Hiệu suất hấp phụ As( V) v? ??t liệu Từ kết thực nghiệm cho thấy v? ??t liệu RM-Fe có hiệu suất hấp phụ As( V) cao đạt 95,7% cịn v? ??i bùn đỏ chưa biến tính 69,5%, giá trị hấp phụ hoàn toàn. .. nâng cao khả hấp phụ Asen so v? ??i bùn đỏ nguyên khai, v? ??i mục tiêu giảm thiểu tác hại, biến chất thải nguy hại thành v? ??t liệu thân thiện v? ??i môi trường Thực nghiệm 2.1 Chế tạo v? ??t liệu Bùn đỏ Tân
Ngày đăng: 17/03/2021, 20:24
Xem thêm:
