Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 370-376 Nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý asen nước từ bùn đỏ Phạm Thị Thúy*, Nguyễn Thị Thanh Mai, Nguyễn Mạnh Khải Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 15 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 20 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 06 tháng năm 2016 Tóm tắt: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý asen dạng viên từ phế thải bùn đỏ từ nhà máy sản xuất quặng nhôm để ứng dụng xử lý asen nước cấp Bùn đỏ phối trộn với chất kết dính laterit, silicagel theo tỷ lệ khác để tạo thành vật liệu dạng viên RS-5, RS-10, RS-15 TC-20 Vật liệu TC-20 có khả hấp phụ asen tốt chọn để tiếp tục tiến hành thí nghiệm theo mẻ để nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ asen vật liệu TC-20 Kết nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu TC-20 cho thấy khoảng pH tối ưu 3,5 - 7, thời gian đạt cân hấp phụ từ 10 phút Động học trình hấp phụ vật liệu tuân theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu TC-20 biến tính đạt 8,38 (mg/g) Từ khóa: Bùn đỏ, hấp phụ asen, vật liệu hấp phụ nước khống vật chứa sắt có khả hấp phụ tốt asen nước; zeolite [2], bentonite [5], laterit [6-8] bùn đỏ [9] với hiệu suất cao Bùn đỏ chất thải q trình sản xuất nhơm từ quặng bauxit theo phương pháp Bayer Do tính kiềm cao lượng bùn thải lớn, bùn đỏ tác nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng không quản lý tốt [10] Tuy vậy, bùn đỏ chứa thành phần có lợi có khả kết hợp với asen, phosphat nước [10] Việc sử dụng nguyên liệu có giá thành thấp, đặc biệt tận dụng chất thải, phù hợp với điều kiện Việt Nam bùn đỏ nhà khoa học quan tâm Nghiên cứu nhằm mục tìm hiểu khả xử lý asen vật liệu dạng viên tổng hợp từ thành phần bùn đỏ phối kết hợp với latterite silicagel ứng dụng để xử lý asen môi trường nước Mở đầu* Vấn đề ô nhiễm asen nước cấp quan tâm tiềm ẩn nguy rủi ro chúng sức khỏe người Phần lớn nhiễm độc asen thông qua việc sử dụng nguồn nước, thực phẩm vùng đất, khơng khí nhiễm asen Các triệu chứng nhiễm độc asen bao gồm thay đổi màu da, hình thành vết cứng da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận bàng quang [1] Hiện có nhiều cơng trình dự án nghiên cứu sử dụng phương pháp để xử lý asen phương pháp hấp phụ [2], phương pháp trao đổi ion [3], phương pháp sinh học [4]… Trong phương pháp hấp phụ có nhiều ưu việt tính kinh tế, tính hiệu quả, thao tác đơn giản dễ thực Nhiều nghiên cứu _ * Tác giả liên hệ ĐT.: 84-982888499 Email: phamthithuy@hus.edu.vn 370 P.T Thúy nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 370-376 Bảng Tỷ lệ phối trộn vật liệu (% theo khối lượng) Ký hiệu vật liệu RS-5 RS-10 RS-15 TC-20 Vật liệu thô (không nung) Bùn đỏ Laterit Silicagel 47,5 45,0 42,5 40,0 47,5 45,0 42,5 40,0 10 15 20 40,0 40,0 20 Ghi chú: mẫu tạo độ xốp với tỷ lệ đạt 10% Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Bùn đỏ sử dụng nghiên cứu tận thu từ phế thải nhà máy sản xuất alumin Tân Rai Laterit lấy từ Sơn Tây, thành phố Hà Nội 2.2 Phương pháp nghiên cứu Chế tạo vật liệu: Bùn đỏ laterit sơ chế cách nghiền nhỏ qua rây 0,5 mm, sau gia nhiệt nhiệt độ 400oC giờ, khoảng nhiệt độ chọn phù hợp với nhiệt độ biến tính vật liệu gốc sắt để xử lý asen môi trường nước [11] Bùn đỏ laterit sau nung, silicagel chất phụ gia phối trộn với nước cất theo tỷ lệ bảng 1, hỗn hợp ép viên với d=1cm, gia nhiệt nhiệt độ 400oC để tạo thành vật liệu RS-5, RS-10, RS-15 TC-20 khoảng thời gian nêu Các phương pháp phân tích: Cấu trúc pha vật liệu xác định phương pháp nhiễu xạ X-Ray Khoa Vật lý – Đại học Khoa học Tự nhiên Nồng độ asen trước sau hấp phụ xác định theo phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) Nghiên cứu ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ: Thí nghiệm tiến hành mẫu vật liệu tổng hợp với dung dịch chứa asen ban đầu 10 mg/L Tỷ lệ vật liệu hấp phụ dung dịch (m/V) tương ứng với 1:20 (mg:mL), nồng độ asen ban đầu 10 mg/L pH 371 hệ điều chỉnh cách thêm vào lượng HNO3 0,02N NaOH 0,02N vào hệ để đạt dung dịch có khoảng pH từ 3.5 Các mẫu sau khoảng thời gian cân xác định hàm lượng asen lại dung dịch pH thời điểm cân Kết biểu diễn hình Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ: Đường hấp phụ đẳng nhiệt trình hấp phụ asen vật liệu chế tạo xác định dựa thí nghiệm hấp phụ mẻ Các thí nghiệm hấp phụ thực bình thể tích 100ml với 1g vật liệu chế tạo Thí nghiệm tiến hành nồng độ asen (V) ban đầu khác thời gian pH khác Nồng độ asen ban đầu 30, 50, 100, 150, 200 mg/L cho vào bình 100ml, lắc với tốc độ 150 vòng/phút 10, 30, 60, 90, 120, 150 180 phút điều kiện nhiệt độ phòng Sau khoảng thời gian trên, mẫu lọc trước phân tích hàm lượng asen cịn lại dung dịch Các thí nghiệm lặp lại ba lần Dung lượng hấp phụ asen vật liệu (q, mg/g) tính dựa cân khối lượng theo cơng thức: Trong đó, Co Ce nồng độ trước sau trình hấp phụ (mg/L); V thể tích dung dịch (L); W khối lượng vật liệu đưa vào hấp phụ (mg); q (mg/g) dung lượng hấp phụ thời điểm t Kết lấy trung bình kết ba lần lặp lại thí nghiệm với mẫu Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asen vật liệu chế tạo Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asen vật liệu chế tạo thể hình Kết hình cho thấy mẫu TC-20 có khả hấp phụ asen tốt mẫu vật liệu chế tạo Khoảng pH tối ưu để vật liệu chế tạo hấp phụ asen tốt từ từ 3,5 pH tăng (pH > 7,5) khả hấp 372 P.T Thúy nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 370-376 phụ vật liệu giảm pH tối ưu cân mẫu TC-20 6,38, có hiệu suất hấp phụ cao đạt 99,84% với dung lượng hấp phụ đạt cao 0,0629 mg/g Vì vậy, vật liệu TC-20 chọn để khảo sát thí nghiệm 3.2 Cấu trúc pha vật liệu Phổ nhiễu xạ tia X mẫu bùn đỏ thô, laterit thô vật liệu TC-20 thể hình Theo kết chụp nhiễu xạ tia X mẫu bùn đỏ thơ (hình 2a) cho thấy mẫu chứa khống vật có tín hiệu pick rõ ràng Gibbsite (Al(OH)3) cao với d = 4,818; Hematite (Fe2O3) với d = 2,6975 Goethite (FeO(OH)) với d = 4,151 Trong thành phần bùn đỏ thô chứa thành phần đa dạng có chứa tinh thể có chứa sắt điều kiện thuận lợi để tạo vật liệu hấp phụ asen tốt Mẫu laterit thơ (hình 2b) có chứa hàm lượng Quartz (SiO2) lớn với d = 3,339, cịn chứa khống vật chứa sắt như: Goethite (FeO(OH)) với d = 4,246 Hematite (Fe2O3) với d = 1,4518 Trong thành phần laterite thơ có chứa khống vật chứa sắt bùn đỏ thơ, ngồi cịn chứa lượng lớn SiO2 Kết phân tích đánh giá mức độ hoạt hóa mẫu vật liệu TC-20 (hình 2c) cho thấy cấu trúc pha vật liệu thay đổi rõ rệt sau biến tính 400oC Tín hiệu pick Hematite tăng mạnh tín hiệu pick dạng Goethite, Gibbsite giảm khơng cịn xuất mẫu vật liệu TC-20 Sự thay đổi lý giải xảy phản ứng nhiệt phân tăng nhiệt độ lên 400oC, có chuyển dịch pha từ dạng FeO(OH) dạng Fe2O3 Phổ nhiễu xạ tia X vật liệu sau biến tính cho pick nhiều so với mẫu bùn đỏ thô mẫu laterite thơ, có ion gây ảnh hưởng đến trình hấp phụ vật liệu Điều chứng tỏ vật liệu TC-20 có chứa thêm nhiều sắt có khả hấp phụ asen tốt Hình Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asen vật liệu chế tạo (a) Al(OH)3 FeO(OH) Fe2O3 P.T Thúy nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 370-376 373 (b) SiO2 FeO(OH) Fe2O3 (c) SiO2 FeO(OH) Fe2O3 Hình Phổ nhiễu xạ tia X của: (a) bùn đỏ thô, (b) laterit thô, (c) vật liệu TC-20 3.3 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ Hình Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ asen vật liệu thô TC-20 Vật liệu thô mẫu trộn tỷ lệ % bùn đỏ: laterit: silicagel 40:40:20, ép viên, sau bảo quản hộp kín, nhiệt độ phịng (25 oC) Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ asen vật liệu thơ TC20 thể hình Kết cho thấy thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu thô TC-20 từ 10 phút Vật liệu TC-20 có khả hấp phụ theo thời gian tốt hẳn vật liệu thô Tại 10 phút đầu, hiệu 374 P.T Thúy nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 370-376 suất hấp phụ vật liệu TC-20 đạt 98,89% hiệu suất hấp phụ mẫu thô đạt 89,72% Hình Mối quan hệ hiệu suất hấp phụ asen vật liệu (H) nồng độ asen ban đầu dung dịch (Co) 3.4 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu đến khả hấp phụ Sự hấp phụ asen vật liệu tăng lên tăng dần nồng độ ban đầu Tuy nhiên, mẫu thí nghiệm đến nồng độ khoảng 180 mg/L xu hướng hấp phụ vật liệu asen đạt mức độ bão hồ (Hình 4) Kết từ hình cho thấy khả hấp phụ vật liệu ảnh hưởng nồng độ ban đầu vật liệu TC20 có khả hấp phụ tốt vật liệu thô Khi nồng độ asen ban đầu tăng lên, khả hấp phụ vật liệu tăng dần ổn định (a) dải nồng độ, hiệu suất hấp phụ giảm dần Nồng độ asen (V) ban đầu từ 10 - 30 mg/l, khả hấp phụ vật liệu thô TC-20 Khi tăng nồng độ ban đầu (Co > 30 mg/l), khả hấp phụ mẫu biến tính mẫu thơ có khác biệt rõ rệt Nồng độ asen ban đầu từ 30 - 150 mg/l, hiệu suất hấp phụ mẫu thô tăng lên, thấp mẫu biến tính Khi nồng độ ban đầu tiếp tục tăng (Co > 150 mg/l), khả hấp phụ vật liệu ổn định gần không thay đổi Như vậy, nguồn nước ô nhiễm asen với nồng độ 0,90), chứng tỏ trình hấp phụ ion kim loại vật liệu phù hợp với phương trình Langmuir Mẫu biến tính phù hợp với mơ hình Langmuir (vì hệ số tương quan R2 xấp xỉ 1), dung lượng hấp phụ cực đại qmax = 8,38 mg/g Quá trình hấp phụ mẫu thơ tn theo mơ hình Langmuir R2 xấp xỉ dung lượng hấp phụ cực đại đạt qmax = 4,6083 mg/g (b) Hình Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (a) Freundlich (b) dạng tuyến tính q trình hấp phụ As(V) vật liệu thơ P.T Thúy nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 370-376 375 (b) (a) Hình Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (a) Freundlich (b) dạng tuyến tính q trình hấp phụ As(V) vật liệu TC-20 Bảng Các thông số mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Vật liệu TC-20 Vật liệu thơ Mơ hình Langmuir qmax(mg/g) R2 8,3822 0,9999 4,6083 0,9927 KL(l/mg) 2,6511 0,0981 Kết luận Vật liệu TC-20 với tỷ lệ trộn laterit: silicagel 1:1:0,1 vật liệu phù hợp để hấp phụ asen với nguồn nước có nồng độ nhiễm asen