Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 30, Số (2014) 55-60 Nghiên cứu khả xử lý thuốc nhuộm bùn đỏ trung hòa thạch cao phế thải Vũ Xuân Minh1, Lê Thị Mai Hương2, Trần Thị Hồng3, Nguyễn Vũ Giang1, Nguyễn Tuấn Dung1,* Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, 18 Hồng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam Viện Hóa học hợp chất thiên nhiên, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, 18 Hồng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 05 tháng năm 2014 Chỉnh sửa ngày 19 tháng năm 2014; Chấp nhận đăng ngày 26 tháng năm 2014 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, bùn đỏ nhà máy Alumin Tân Rai trung hòa thạch cao phế thải (gypsum) Nhà máy phân bón DAP Đình Vũ khảo sát khả hấp phụ số thuốc nhuộm thông dụng: đỏ Red 3BF, vàng Yellow 3GF xanh Blue MERF Quá trình hấp phụ tĩnh tiến hành dung dịch nước khảo sát yếu tố ảnh hưởng độ pH, thời gian tiếp xúc, nồng độ thuốc nhuộm ban đầu, tới hiệu suất xử lý màu Kết chất màu nghiên cứu, pH thích hợp 4, trình hấp phụ đạt cân sau 120 phút Các nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ cho thấy trình hấp phụ loại thuốc nhuộm tn theo mơ hình Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại đạt cao, Red 3BF, Yellow 3GF, Blue MERF, qmax tương ứng 57,8; 96,6 98,23 mg/g Kết phân tích phổ hồng ngoại FT-IR chứng tỏ có mặt chất màu bề mặt bùn đỏ-gypsum Từ khóa: bùn đỏ, thạch cao phế thải, xử lý thuốc nhuộm, chất hấp phụ giá rẻ, bã thải bauxit Mở đầu∗ rắn nhà máy sản xuất phân bón DAP Trung hịa bùn đỏ cách trộn với gypsum chủ yếu ứng dụng vào việc hồn thổ, để trung hịa lượng kiềm kg bùn đỏ cần khoảng kg gypsum [1] Ngoài việc quản lý lưu giữ hoàn thổ, hướng nghiên cứu tái sử dụng bùn đỏ thành vật liệu hữu ích gần đẩy mạnh, đặc biệt hướng chuyển hóa thành chất hấp phụ giá rẻ ứng dụng xử lý nước ô nhiễm [2] Một số công bố giới bùn đỏ tách loại hiệu nhiều loại thuốc nhuộm khác đỏ côngo, đỏ axit, xanh metylen, xanh hoạt Bùn đỏ (BĐ) bã thải quy trình hịa tách quặng bauxit theo cơng nghệ Bayer để sản xuất nhơm, có tính kiềm cao lượng thải lớn, tiềm ẩn nguy gây nhiễm mơi trường Người ta trung hòa để làm giảm độ kiềm bùn đỏ nhiều cách khác nhau, việc sử dụng thạch cao phế thải (gypsum) quan tâm khả tận dụng phế thải _ ∗ Tác giả liên hệ ĐT: 84-936162586 E-mail: ndung@itt.vast.vn 55 56 V.X Minh nnk /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 30, Số (2014) 55-60 tính, xanh trực tiếp… [3-6] Trong báo này, nghiên cứu khả hấp phụ số phẩm nhuộm dạng hòa tan thường dùng ngành dệt may như: Red 3BF, Blue MERF, Yellow 3GF bùn đỏ nhà máy Alumin Tân Rai trung hòa thạch cao phế thải Nhà máy phân bón DAP Đình Vũ hấp phụ H (%) dung lượng hấp phụ q (mg/g) xác định theo công thức sau: q= Trong nghiên cứu này, bùn đỏ lấy từ nhà máy Alumin Tân Rai (pH khoảng 11,5), trung hòa thạch cao phế thải (gypsum), phụ phẩm nhà máy Phân lân Đình Vũ, tỷ lệ khối lượng bùn đỏ:gypsum 8:2, tỷ lệ rắn:lỏng 1:10, sau khuấy để ổn định pH dung dịch đạt 8,5 Vật liệu thu (ký hiệu BĐG) lọc rửa, sấy khô 100oC Kết thảo luận 3.1 Khảo sát điều kiện hấp phụ Các chất màu-đối tượng cần xử lý thuốc nhuộm thương phẩm Red 3BF, Blue MERF, Yellow 3GF, xuất xứ từ Trung Quốc, sử dụng phổ biến sở dệt may Bước sóng hấp thụ cực đại (λmax) khảo sát phổ UV-Vis thiết bị CINTRA 40 - GBC (Mỹ) tương ứng 400, 540 610 nm Nồng độ chất màu xác định phương pháp trắc quang λmax tương ứng Ảnh hưởng pH Quá trình hấp phụ thuốc nhuộm Red 3BF, Yellow 3GF Blue MERF tiến hành mơi trường nước có pH thay đổi từ đến 10 Nồng độ chất màu ban đầu (C0) 30 mg/L, nồng độ chất hấp phụ bùn đỏ-gypsum (BĐG) g/L thời gian hấp phụ 120 phút giữ cố định tất thí nghiệm Bùn đỏ thơ (BĐ) khảo sát điều kiện để đối chứng Kết xác định dung lượng hấp phụ trình bày hình Khả hấp phụ chất màu bùn đỏ đánh giá thơng qua giá trị hiệu suất BĐ BÑG BÑ BÑG 20 0 pH Thuốc nhuộm Red 3BF 10 20 10 10 10 BÑ BÑG 30 q (mg/g) 30 q (mg/g) q (mg/g) 20 (mg/g) Trong đó: C0: nồng độ chất màu ban đầu (mg/L); Cf: nồng độ chất màu lại sau hấp phụ (mg/L); V: thể tích dung dịch chất màu (mL); m: khối lượng vật liệu hấp phụ (g) Thực nghiệm 30 (%) ; H= pH 10 Thuốc nhuộm Yellow 3GF pH Thuốc nhuộm Blue MERF Hình Ảnh hưởng pH tới dung lượng hấp phụ chất màu bùn đỏ 10 V.X Minh nnk /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Tập 30, Số (2014) 55-60 Quan sát hình ta thấy, chất màu nghiên cứu, trình hấp phụ diễn thuận lợi môi trường axit, với pH ≥ hiệu suất hấp phụ giảm mạnh Điều lý giải chất màu anion, có khuynh hướng tạo liên kết tĩnh điện với trung tâm tích điện dương vật liệu hấp phụ môi trường pH thấp [4, 7] Mặt khác kết thu cho thấy việc trung hòa gypsum không làm giảm khả hấp phụ chất màu bùn đỏ 57 Từ hình ta thấy trình hấp phụ chất màu bề mặt BĐG diễn nhanh, trường hợp, sau 120 phút tiếp xúc trình hấp phụ đạt cân Vật liệu BĐG hấp phụ thuốc nhuộm xanh Blue MERF nhanh hiệu đạt cao nhất, sau đến vàng Yellow 3GF đỏ Red 3BF Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng BĐG tới khả tách loại chất màu thực dung dịch có pH = 4, nồng độ thuốc nhuộm ban đầu C0 = 50 mg/L, thời gian hấp phụ 120 phút, lượng BĐG thay đổi từ 0,5 đến g/L Hình biểu diễn thay đổi giá trị H q theo hàm lượng BĐG Kết cho thấy hiệu suất hấp phụ tăng theo chiều tăng hàm lượng bùn đỏ, trường hợp thuốc nhuộm đỏ Red 3BF Yellow 3GF, H đạt bão hòa nồng độ BĐG g/L, Blue MERF g/L Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc Hiệu suất hấp phụ chất màu mẫu BĐG khảo sát theo thời gian hấp phụ dung dịch có C0 = 50 mg/L pH 4, lượng BĐG cố định g/L Các kết thu trình bày hình 100 80 Red 3BF H (%) 60 Yellow 3GF Blue MERF 40 20 0 30 60 90 120 150 180 210 Thời gian hấp phụ (phút) 240 270 Hình Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ loại chất màu q q 30 50 100 80 H H 40 20 Lượng BĐG (g/l) Thuốc nhuộm Red 3BF 20 10 0 Lượng BĐG (g/l) Thuốc nhuộm Yellow 3GF 50 H (%) 30 10 20 H(%) 40 60 60 60 40 H 30 40 20 20 10 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Lương BĐG (g/L) Thuốc nhuộm Blue MERF Hình Ảnh hưởng hàm lượng BĐG tới khả hấp phụ chất màu 2.5 q (mg/g) 20 q (mg/g) 60 70 q 80 40 q (mg/g) H(%) 80 c) 100 100 V.X Minh nnk /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 30, Số (2014) 55-60 58 Ảnh hưởng nồng độ chất màu ban đầu Mối quan hệ nồng độ dung dịch chất màu ban đầu (Co) với hiệu suất dung lượng hấp phụ trình bày hình Thực nghiệm thực điều kiện a) 100 60 H 100 50 80 pH = 4, lượng BĐG g/L thuốc nhuộm Red 3BF Yellow 3GF, g/L Blue MERF Khi nồng độ chất màu ban đầu tăng, hiệu suất hấp phụ giảm dần, dung lượng hấp phụ tăng dần tới giá trị bão hòa 100 100 100 H H 80 c) 80 80 80 q 100 200 300 400 500 CO Red 3BF (mg/l) 40 40 10 20 0 100 200 300 400 500 600 700 60 60 40 20 20 0 q H (%) H (%) 20 60 40 q CO Yellow 3GF (mg/l) 20 50 100 150 200 250 Co Blue MERF (mg/l) 300 350 Hình Ảnh hưởng nồng độ chất màu ban đầu tới khả hấp phụ 3.2 Phân tích phổ hồng ngoại Vật liệu hấp phụ BĐG trước sau hấp phụ chất màu Red 3BF, Yellow 3GF Blue MERF phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trình bày hình (a) Độ truyền qua (b) (c) (d) 2000 1800 1600 1400 1200 -1 1000 800 600 Số sóng (cm ) Hình Phổ FT-IR BĐG trước (đường a) sau hấp phụ chất màu Blue MERF (đường b), Yellow 3GF (đường c) Red 3BF (đường d) Quan sát hình ta thấy, phổ FT-IR BĐG sau hấp phụ chất màu chứa đỉnh pic đặc trưng bùn đỏ chất màu tương ứng Phổ hồng ngoại BĐG hấp phụ Red 3BF (đường d) có đỉnh pic hấp thụ 1630 1030 cm-1 đặc trưng cho liên kết OHcủa gibsit Si-O bùn đỏ [8]; đỉnh pic hấp thụ 1534, 1467, 1399 1214 cm-1 đặc trưng cho liên kết N=N (triazin), N-H, SO3- -OH Red 3BF [9, 10] Trường hợp BĐG hấp phụ Yellow 3GF (đường c), pic đặc trưng bùn đỏ thể pic đặc trưng Yellow 3GF 1508 1404 cm-1 liên kết N=N, C-O [9,10] Tương tự vậy, đường (b) thể pic đặc trưng Blue MERF 1516, 1402, 734 (cm-1) liên kết N=N triazin, C-O C-Cl [9, 10] Kết phân tích phổ hồng ngoại chứng minh chất màu bị hấp phụ bề mặt bùn đỏ-gypsum 3.3 Đẳng nhiệt hấp phụ Các số liệu thực nghiệm q trình hấp phụ phân tích trình bày theo dạng tuyến tính hai phương trình Langmuir Freundlich (hình 6), từ xác định tham số phương trình trình bày bảng Từ hệ số tương quan phương trình hồi quy (R2) ta thấy trình hấp phụ chất màu bề q (mg/g) 20 60 q (mg/g) 40 q (mg/g) 30 H (%) 40 60 V.X Minh nnk /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 30, Số (2014) 55-60 mặt bùn đỏ tn theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, q trình hấp phụ đơn lớp, khơng có tương tác phân tử hấp phụ A 59 Dung lượng hấp phụ cực đại đạt cao, Blue MERF 98,23 mg/g, Yellow 3GF 96,6 mg/g Red 3BF 57,8 mg/g 2.0 Red 3BF R = 0,9972 B Blue MERF R = 0,9923 1.5 Cf/q Yellow 3GF R = 0,9933 log q Yellow 3GF R = 0,9643 1.0 Blue MERF R = 0,9948 0 100 Red 3BF R = 0,9527 0.5 200 300 400 0.0 -1 Cf (mg/L) log Cf Hình Đường đẳng nhiệt hấp phụ: A - Langmuir B - Freundlich Bảng Các tham số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich Thuốc nhuộm Red 3BF Yellow 3GF Blue MERF Langmuir Freundlich qmax KL R2 KF N R2 (mg/g) (l/mg) 57,80 0,05 0,9972 4,38 1,99 0,9527 96,60 0,06 0,9933 6,40 2,05 0,9643 98,23 1,98 0,9948 37,52 5,11 0,9923 Kết luận Chúng khảo sát khả hấp phụ chất màu bùn đỏ (nhà máy Alumin Tân Rai) trung hòa thạch cao phế thải-gypsum (nhà máy Phân bón DAP Đình Vũ) số thuốc nhuộm thông dụng như: đỏ Red 3BF, vàng Yellow 3GF xanh Blue MERF Kết khảo sát cho thấy trình hấp phụ diễn tốt môi trường pH với chất màu, sau 120 phút đạt cân Các nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ chứng tỏ trường hợp, trình hấp phụ lên bề mặt bùn đỏ- gypsum tn theo mơ hình Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại đạt cao, Red 3BF, Yellow 3GF, Blue MERF, qmax tương ứng 57,8; 96,6 98,23 mg/g Tài liệu tham khảo [1] A.Xenidis, A.Harokopou, E.Mylona, G.Brofas, Modifying alumina red mud to support a revegetation cover, Journal of Metallurgy, 57 (2) (2005), 42–46 [2] Shaobin Wang, HM.Ang, MO.Tadé, Novel application of red mud as coagulant, adsorbent and catalyst of environmentally benign processes Chemosphere, 72(2008) 1621-1635 [3] Gupta, V.K., Suhas, Application of low-cost adsorbents for dye removal– a review Journal of Environmental Management, 90(8) (2009), 2313–2342 [4] Namasivayam, C., Arasi, D.J.S.E., Removal of congo red from wastewater by adsorption onto waste red mud, Chemosphere, 34(2) (1997), 401–417 [5] Wang, S., Boyjoo, Y., Choueib, A., Zhu, Z.H., Removal of dyes from aqueous solution using fly ash and red mud, Water Research, 39(1) (2005), 129–138 [6] Wang, Q., Luan, Z., Wei, N., Li, J., Liu, C., The color removal of dye wastewater by magnesium 60 V.X Minh nnk /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 30, Số (2014) 55-60 chloride/red mud (MRM) from aqueous solution Journal of Hazardous Materials, 170(2–3) (2009), 690–698 [7] Đặng Trần Phòng, Sổ tay sử dụng thuốc nhuộm Tập 1: Thuốc nhuộm châu Á, 2008, Nhà xuất Bách khoa – Hà Nội [8] Paola Castaldi, Margherita Silvetti, Stefano Enzo, Pietro Melis., Study of sorption processes and FT-IR analysis of arsenate sorbed onto red muds (a bauxite ore processing waste), Journal of Hazardous Materials, 175 (2010),172–178 [9] David M Lewis, Jian Chen Wang, The Use of Fourier Transform Infrared (FT-IR) Spectroscopy to Study the State of Heterobifunctional Reactive Dyes, Dyes and Pigments, 39(2) (1998), 111-123 [10] Phạm Văn Nhiêu, Một số ứng phương pháp phổ ứng dụng hóa học, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội - 2011 Adsorption of Anionic Dyes onto Gypsum-Neutralised Red Mud Vũ Xuân Minh1, Lê Thị Mai Hương2, Trần Thị Hồng3, Nguyễn Vũ Giang1, Nguyễn Tuấn Dung1 Institute for Tropical Technology, Vietnamese Academy of Science and Technology, 18 Hoàng Quốc Việt, Hanoi, Vietnam Institute of Chemistry of Natural Compounds, Vietnamese Academy of Science and Technology, 18 Hoàng Quốc Việt, Hanoi, Vietnam VNU University of Science, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hanoi, Vietnam Abstract: In the study, red mud of Tân Rai Alumina Plant was neutralised by gypsum of DAP Đình Vũ Plant and investigated for some anionic dyes adsorption from aqueous solution The effects of pH, contact time, and initial dye concentration on the adsorption were studied Adsorption of Red 3BF, Yellow 3GF and Blue MERF has been found to be best achieved in acidic conditions, pH = was the most suitable value It was found that the sufficient time to attain equilibrium was 120 The adsorption isotherms were analyzed using the Langmuir and the Freundlich models, the Langmuir isotherm showed better fitting the experimental data for all three investigated dyes The maximum adsorption capacities of Red 3BF, Yellow 3GF and Blue MERF (qmax) were founded to be 57.8, 96.6 and 98.23 mg/g, respectively The FT-IR analysis indicated clearly the presence of adsorbed dyes on the gypsum-neutralised ref mud surface Keywords: Red mud, gypsum, dyes adsorption, low-cost adsorbent ... khảo sát phổ UV-Vis thiết bị CINTRA 40 - GBC (Mỹ) tương ứng 400, 540 610 nm Nồng độ chất màu x? ?c định phương pháp trắc quang λmax tương ứng Ảnh hưởng pH Quá trình hấp phụ thuốc nhuộm Red 3BF,... Hình Ảnh hưởng nồng độ chất màu ban đầu tới khả hấp phụ 3.2 Phân tích phổ hồng ngoại Vật liệu hấp phụ BĐG trước sau hấp phụ chất màu Red 3BF, Yellow 3GF Blue MERF phân tích phổ hồng ngoại biến... triazin, C-O C-Cl [9, 10] Kết phân tích phổ hồng ngoại chứng minh chất màu bị hấp phụ bề mặt bùn đỏ-gypsum 3.3 Đẳng nhiệt hấp phụ Các số liệu thực nghiệm q trình hấp phụ phân tích trình bày theo dạng