Nghiên cứu sử dụng bentonit tuy phong bình thuận làm chất hấp phụ xử lý kim loạI nặng trong môI trường nước Nghiên cứu sử dụng bentonit tuy phong bình thuận làm chất hấp phụ xử lý kim loạI nặng trong môI trường nước luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Hà Thị Hồng Hoa NGHIấN CU SỬ DỤNG BENTONIT TUY PHONG-BÌNH THUẬN LÀM CHẤT HẤP PHỤ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Hà Nội - Nm 2012 Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Hà Thị Hồng Hoa NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BENTONIT TUY PHONG-BÌNH THUẬN LÀM CHẤT HẤP PHỤ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước nước thải Mã số: 62.85.06.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Hướng dẫn khoa học: GS.TS ĐẶNG KIM CHI GS.TS NGUYỄN HỮU PHÚ Hà Nội - Năm 2012 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn GS-TS Đặng Kim Chi GS-TS Nguyễn Hữu Phú Các số liệu kết nghiên cứu công bố luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình tác giả Tác giả Hà Thị Hồng Hoa ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc tới GS-TS Nguyễn Hữu Phú, GS-TS Đặng Kim Chi - người Thầy tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, Cô giáo, cán giảng dạy nghiên cứu Viện Khoa học công nghệ Môi trường, Viện Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm Quan trắc - Phân tích Mơi trường biển Hải qn ln động viên, nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để thực luận án Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn tới TS Lê Minh Cầm, TS Nguyễn Thị Thu tập thể cán bộ, nhân viên mơn Hố lý thuyết Hố lý - khoa Hoá học trường Đại học Sư phạm I nhiệt tình giúp đỡ tơi thực thí nghiệm Luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn Giáo sư, nhà khoa học đọc đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho việc hồn thiện luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Bộ Tư lệnh Hải quân, Bộ Giáo dục Đào tạo, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ tơi q trình học tập nghiên cứu Cuối tơi xin dành tình cảm đặc biệt cho người thân gia đình bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, động viên tôi, giúp thêm nghị lực để hoàn thành luận án này! Hà Nội, tháng 10 năm 2012 Tác giả Hà Thị Hồng Hoa iii Môc lôc Trang i ii iii Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU vii viii x Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu bentonit 1.1.1 Thành phần hoá học cấu trúc mạng tinh thể 5 1.1.2 Tính chất trương nở hấp phụ MMT 1.1.3 1.1.4 Tính chất trao đổi ion Các phương pháp biến tính bentonit 10 1.1.4.1 1.1.4.2 1.1.5 1.1.5.1 Hoạt hóa axit Làm bền cấu trúc lớp “trụ” (pillar) polycation Giới thiệu bentonit Việt Nam Một số mỏ bentonit lớn thăm dò, khai thác nước ta 10 11 12 13 1.5.5.2 Sơ lược công nghệ sản xuất sản phẩm bentonit 1.2 1.2.1 Giới thiệu số ion kim loại nặng Giới thiệu chung 13 15 15 1.2.2 Độc tính số ion kim loại nặng 1.2.2.1 Chì 15 15 1.2.2.2 1.2.2.3 1.2.2.4 1.2.2.5 1.2.3 Cadimi Niken Kẽm Đồng Trạng thái ion kim loại nặng môi trường nước 1.3 1.3.1 Giới thiệu phương pháp hấp phụ Giới thiệu chung 16 16 17 17 18 20 20 1.3.2 Cân hấp phụ 1.3.2.1 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 21 21 1.3.2.2 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 24 iv Trang 1.3.2.4 Phương trình hấp phụ BET 1.3.3 Một số phương trình động học hấp phụ 25 26 1.3.3.1 Phương trình động học biểu kiến hấp phụ bậc Lagergren 1.3.3.2 Mơ hình động học biểu kiến hấp phụ bậc 26 27 28 1.4 1.4.1 Tình hình nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng bentonit Tổng quan hấp phụ ion kim loại nặng dung dịch nước 1.4.2 1.5 Cơ chế hấp phụ ion kim loại dung dịch nước montmorillonit Các nguồn gây ô nhiễm trạng ô nhiễm kim loại nặng nước Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp nghiên cứu trình hấp phụ 2.1.1 Phương pháp nghiên cứu trình hấp phụ 2.1.2 Nghiên cứu đặc trưng hố lý q trình hấp phụ 2.1.2.1 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ 2.1.2.2 Động học hấp phụ 2.1.2.3 Khảo sát ảnh hưởng yếu tố pH đến trình hấp phụ 2.2 2.2.1 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.1.4 2.2.1.5 2.3.2 Các phương pháp phân tích thành phần, cấu trúc vật liệu nồng độ ion kim loại dung dịch Các phương pháp đặc trưng cấu trúc vật liệu hấp phụ Phương pháp phân tích cấu trúc nhiễu xạ tia X (XRD) Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ, khử hấp phụ Nitơ Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) Phương pháp phân tích nhiệt Phương pháp xác định phân bố cấp hạt Phương pháp xác định hàm lượng kim loại phổ khối 28 31 35 40 40 40 42 42 43 44 44 44 44 45 47 48 49 49 Plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS) 2.3 2.2.1 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 Thực nghiệm Hoá chất thiết bị Vật liệu hấp phụ Tinh chế bentonit (Bent-TC) Chế tạo bentonit hoạt hoá axit (Bent-H) Điều chế bentonit trụ chống polioxo nhôm (Bent-Al) 2.3.2 Khảo sát trình hấp phụ 2.3.2.1 Chuẩn bị dung dịch hấp phụ 50 50 50 51 52 52 53 53 v Trang 2.3.2.2 Giới hạn khảo sát 2.3.2.3 Nghiên cứu ứng dụng xử lý nước thải thực tế 54 54 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thành phần, cấu trúc tính chất hố lý vật liệu hấp phụ 3.1.1 Thành phần hoá học 3.1.2 Nghiên cứu cấu trúc 55 55 55 57 3.1.3 Phân bố cấp hạt 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ ion kim loại nặng bentonit Thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ ion Pb2+ bentonit Thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ Cu 2+ bentonit Thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ Zn 2+ bentonit Thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ Ni2+ bentonit 65 66 3.2.5 3.3.6 Thiết lập đẳng nhiệt hấp phụ Cd 2+ bentonit Tổng hợp thảo luận kết nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ 3.3 3.3.1 3.3.2 3.33 3.3.4 Nghiên cứu động học hấp phụ kim loại nặng bentonit Động học hấp phụ Pb2+ bentonit Động học hấp phụ Cu2+ bentonit Động học hấp phụ Zn2+ bentonit Động học hấp phụ Ni2+ bentonit 3.3.5 Động học hấp phụ Cd2+ bentonit 3.4 3.4.1 Cơ chế hấp phụ cation kim loại bentonit Nghiên cứu ảnh hưởng pH lên trình hấp phụ ion kim loại bentonit 66 71 75 77 80 82 87 88 89 91 93 94 97 97 3.4.1.1 Ảnh hưởng pH lên trình hấp phụ Pb2+ 97 3.4.1.2 Ảnh hưởng pH lên trình hấp phụ Cu2+ 98 3.4.1.3 Ảnh hưởng pH lên trình hấp phụ Zn2+ 98 3.4.1.4 Ảnh hưởng pH lên trình hấp phụ Ni2+ 99 3.4.1.5 Ảnh hưởng pH lên trình hấp phụ Cd2+ 3.4.2 Hấp phụ ion KLN bentonit trụ chồng polyoxo nhôm 100 102 3.4.2.1 Các đặc trưng hoá - lý vật liệu Bent-Al 103 3.4.2.2 Nghiên cứu đặc trưng hấp phụ cation KLN Bent-Al 105 3.4.2.3 Nhận xét chung hấp phụ cation kim loại nặng Bent-Al 107 vi Trang 3.5.3 Kết luận chung nghiên cứu nhiệt động học, động học chế hấp phụ 108 3.6 Nghiên cứu ứng dụng xử lý nước thải chứa kim loại nặng bentonit 109 3.6.1 Các mẫu nước thải thực tế 109 3.6.2 Xử lý nước thải mạ niken 109 3.6.2.1 Dung lượng hấp phụ 110 3.6.2.2 Tốc độ hấp phụ 111 3.6.3 Hấp phụ xử lý nước thải sản xuất ắc-quy 113 3.6.4 Hấp phụ xử lý nước thải sản xuất sơn 114 3.6.5 Một số kết luận xử lý nước thải thực tế chứa kim loại nặng bentonit 115 MỘT SƠ KẾT LUẬN CHÍNH CA LUN N KIN NGH Tài liệu tham khảo 116 117 vii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt AAS : Phổ hấp thụ nguyên tử BET: Bent-T: Bent-TC: Bent-H: Bent-Al: BTNMT: C: Brunauer - Emmett - Teller Bentonit nguyên khai Bentonit tinh chế từ Bent-T phương pháp học Bentonit hoạt hoá axit Bentonit trụ chống (pillared) polyoxo nhôm Bộ Tài nguyên Môi trường Nồng độ chất bị hấp phụ nước Co: Ce: CEC: Nồng độ chất bị hấp phụ thời điểm ban đầu Nồng độ chất bị hấp phụ thời điểm đạt cân Dung lượng trao đổi ion (cation exchange capacity) G: Biến thiên lượng tự H: Biến thiên Entanpy S: DTA: Biến thiên Entropy Phân tích nhiệt vi sai DrTG: HĐBM: ICP: IUPAC IR: KLN: Vi phân nhiệt - khối lượng Chất hoạt động bề mặt phổ plasma cảm ứng cao tần (Inductively Coupled Plasma: Hiệp hội quốc tế hoá học ứng dụng (International Union of Pure and Applied Chemistry Phổ hồng ngoại Kim loại nặng MMT: MS : pHpzc: QCVN: SBET: UV-vis: XRD: Montmorillonit Phổ khối lượng Điểm điện tích khơng Quy chuẩnViệt Nam Diện tích bề mặt riêng theo phương trình BET Phổ tử ngoại - khả kiến Phương pháp phân tích cấu trúc nhiễu xạ tia X TG: TGA: Biến đổi khối lượng theo nhiệt độ (Thermogravimetry) Phân tích nhiệt khối lượng (trọng lượng) viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số nguồn phát sinh nước thải chứa kim loại nặng Bảng 1.2 Hàm lượng kim loại nặng nước thải số sở mạ điện Bảng 1.3 Hàm lượng kim loại nặng nước tưới số khu vực trồng rau Thái Nguyên Bảng 1.4 Hàm lượng kim loại nặng nước sông Kim Ngưu-Tô Lịch Bảng 1.5 Hàm lượng kim loại nặng nước mặt ngoại thành Hà Nội Bảng 3.1 Thành phần oxit bentonit Bảng 3.2 Thành phần oxit bentonit số vùng khai thác Bảng 3.3 Thành phần khoáng chất bentonit nguyên khai Bảng 3.4 Kết phân tích bề mặt loại vật liệu hấp phụ Bảng 3.5 Kết phân tích nhiệt vật liệu hấp phụ Bảng 3.6 Các số liệu thực nghiệm xác định dung lượng hấp phụ Pb2+ BentTC Bent-H Bảng 3.7 Các tham số hấp phụ Freundlich Bảng 3.8 Số liệu hấp phụ cân Cu2+ bentonit Bảng 3.9 Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich mơ tả q trình hấp phụ Cu2+ bentonit Bảng 3.10 Số liệu hấp phụ cân Zn2+ bentonit Bảng 3.11 Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich mô tả trình hấp phụ Zn2+ bentonit Bảng 3.12 Số liệu hấp phụ cân Ni2+ bentonit Bảng 3.13 Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich mơ tả q trình hấp phụ Ni2+ bentonit Bảng 3.14 Số liệu hấp phụ cân Cd2+ bentonit Bảng 3.15 Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich mơ tả q trình hấp phụ Cd2+ bentonit Bảng 3.16 Tổng hợp kết nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ cation kim loại nặng bentonit Bảng 3.17 Kết thí nghiệm hấp phụ đồng thời Ni2+ Cu2+ Bent-TC Bảng 3.18 Kết hấp phụ đồng thời ion kim loại nặng Bent-TC Bảng 3.19 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ Pb2+ bentonit ... tạo Trường đại học bách khoa hà nội Hà Thị Hồng Hoa NGHIấN CU SỬ DỤNG BENTONIT TUY PHONG- BÌNH THUẬN LÀM CHẤT HẤP PHỤ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chuyên ngành: Công nghệ môi trường. .. kiến hấp phụ bậc 26 27 28 1.4 1.4.1 Tình hình nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng bentonit Tổng quan hấp phụ ion kim loại nặng dung dịch nước 1.4.2 1.5 Cơ chế hấp phụ ion kim loại dung dịch nước. .. hấp phụ kim loại nặng bentonit Động học hấp phụ Pb2+ bentonit Động học hấp phụ Cu2+ bentonit Động học hấp phụ Zn2+ bentonit Động học hấp phụ Ni2+ bentonit 3.3.5 Động học hấp phụ Cd2+ bentonit