Nghiên cứu chế tạo zêolit từ bùn đỏ và khảo sát khả năng loại bỏ ion amoni trong nước

Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Đồng Kim Loan Sinh viên: Phạm Văn Ước 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ------------------------------- ISO 9001 : 2008 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Sinh viên : Phạm Văn Ƣớc Giảng viên hƣớng dẫn : PGS.TS Đồng Kim Loan HẢI PHÒNG - 2012 Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Đồng Kim Loan Sinh viên: Phạm Văn Ước 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ----------------------------------- NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ZÊOLIT TỪ BÙN ĐỎ VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG LOẠI BỎ ION AMONI TRONG NƢỚC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Sinh viên : Phạm Văn Ƣớc Giảng viên hƣớng dẫn : PGS - TS Đồng Kim Loan HẢI PHÒNG - 2012 Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Đồng Kim Loan Sinh viên: Phạm Văn Ước 3 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG -------------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Phạm Văn Ƣớc Mã SV:121554 Lớp: MT1202 Ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo zêolit từ bùn đỏ và khảo sát khả năng loại bỏ ion amoni trong nƣớc Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Đồng Kim Loan Sinh viên: Phạm Văn Ước 4 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Môi trƣờng, trƣờng Đại học Dân Lập Hải Phòng đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu, bổ ích trong suốt khóa học vừa qua. Đó là những kiến thức vô cùng quan trọng giúp em có cơ sở vững vàng trong suốt quá trình nghiên cứu cũng nhƣ hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đồng Kim Loan – giảng viên Khoa Môi trƣờng – trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hƣớng dẫn em hoàn thành khoá luận này. Em cũng xin đƣợc chân thành cảm ơn các thầy cô giáo giảng dạy tại Bộ môn Công nghệ môi trƣờng, cán bộ phòng thí nghiệm Khoa Môi trƣờng đã tạo điều kiện giúp đỡ em về trang thiết bị, hóa chất và phòng thí nghiệm trong suốt quá trình tiến hành nghiên cứu. Nhân đây, em cũng xin chân thành bày tỏ lòng cám ơn tới gia đình và bạn bè, những ngƣời luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu cũng nhƣ hoàn thành khoá luận. Sinh viên Phạm Văn Ƣớc Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Đồng Kim Loan Sinh viên: Phạm Văn Ước 5 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT QCVN: Quy chuẩn Việt Nam BTNMT: Bộ Tài Nguyên Môi Trƣờng BYT: Bộ Y Tế QĐ: Quy định FAO: Quỹ lƣơng thực thế giới NH 4 + : Amoni Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Đồng Kim Loan Sinh viên: Phạm Văn Ước 6 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Dạng tồn tại của amoni phụ thuộc vào pH [11] 11 Bảng 1.2 Thành phần hóa học bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình . 19 Bảng 1.3 Tỷ lệ cấp hạt của Bùn Đỏ 20 Bảng 1.4 Tính chất vật lý 20 Bảng 1.5 Các ứng dụng hiện có . 21 Bảng 3.1 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni theo thời gian của vật liệu bùn đỏ thô 39 Bảng 3.2 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni theo thời gian của vật liệu bùn đỏ biến tính 40 Bảng 3.3 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni theo thời gian của vật liệu dịch bùn đỏ + cao lanh tinh chế . 41 Bảng 3.4 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni theo pH của vật liệu bùn đỏ thô 42 Bảng 3.5 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni theo pH của vật liệu bùn đỏ biến tính . 43 Bảng 3.6 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni theo thời gian của vật liệu dịch lọc bùn đỏ + cao lanh tinh chế . 43 Bảng 3.7 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni theo nồng độ của vật liệu dịch bùn đỏ + cao lanh tinh chế . 45 Bảng 3.8 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni theo nồng độ của vật liệu bùn đỏ biến tính 46 Bảng 3.9 Khả năng hấp phụ của vật liệu với mẫu nƣớc pha (tốc độ 2ml/phút) . 49 Bảng 3.10 Khả năng hấp phụ của vật liệu với mẫu nƣớc pha (tốc độ 0,5ml/phút) 49 Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Đồng Kim Loan Sinh viên: Phạm Văn Ước 7 DANH MỤC HÌNH 14 Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ Bayer 18 Hình 1.3 Một số đơn vị cấu trúc thứ cấp của zeolit 22 Hình 2.1 Hệ thống cột lọc . 29 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét . 30 Hình 2.3 Sự tán xạ của tia X từ các mặt phẳng tinh thể 31 Hình 2.4 Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 33 Hình 2.5 Đồ thị để xác định các hằng số trong phƣơng trình Langmuir . 33 Hình 2.6 Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich . 34 Hình 2.7 Đồ thị để xác định các hằng số trong phƣơng trình Langmuir . 34 Hình 3.1 Kết quả chụp nhiễu xạ tia X của vật liệu M1 35 Hình 3.2 Ảnh SEM của vật liệu M1 36 Hình 3.3 Kết quả chụp nhiễu xạ tia X của vật liệu M2 36 Hình 3.4 Ảnh SEM của vật liệu M2 37 Hình 3.5 Kết quả chụp nhiễu xạ tia X của vật liệu M3 37 Hình 3.6 Mẫu chụp SEM của vật liệu M3 38 Hình 3.7 Tải trọng hấp phụ theo Langmuir của dịch bùn đỏ + cao lanh tinh chế . 45 Hình 3.8 Tải trọng hấp phụ theo Langmuir của bùn đỏ biến tính 46 Hình 3.9 Tải trọng hấp phụ theo Freundlich của bùn đỏ biến tính . 47 Hình 3.10 Tải trọng hấp phụ theo Freundlich của dịch bùn đỏ + cao lanh tinh chế . 48 Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Đồng Kim Loan Sinh viên: Phạm Văn Ước 8 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU . 1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN . 11 1.1. Amoni – vấn đề đƣợc quan tâm hiện nay . 11 1.1.1. Bản chất và các tác động có hại của amoni trong nƣớc 11 1.1.2. Nguyên nhân nhiễm amoni và các phƣơng pháp xử lý amoni trong nƣớc . 12 1.1.2.1. Phƣơng pháp clo hóa đến điểm đột biến 13 1.1.2.2. Phƣơng pháp trao đổi ion 14 1.1.2.3. Phƣơng pháp thổi khí ở pH cao . 15 1.1.2.4. Phƣơng pháp ozon hóa với xúc tác bromua . 15 1.1.2.5. Phƣơng pháp sinh học 16 1.1.2.6. Điện thẩm tách . 16 1.1.2.7. Thẩm thấu ngƣợc . 17 1.1.2.8. Lọc nano 17 1.2. Giới thiệu Bùn Đỏ . 18 1.2.1. Nguồn gốc . 18 1.2.2. Đặc điểm, thành phần hóa học và tính chất vật lý 18 1.2.2.1. Đặc điểm 18 1.2.2.2. Thành phần hóa học và tính chất vật lý . 19 1.2.3. Một số kết quả nghiên cứu xử lý và ứng dụng bùn đỏ trong thực tế 20 1.3. Zeolite 21 1.3.1. Khái niệm, phân loại và cấu trúc . 22 1.3.2. Tính chất hấp thụ của Zeolite 23 1.3.3. Ứng dụng của Zeolite . 24 CHƢƠNG II. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 25 2.2. Dụng cụ và hóa chất . 25 Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Đồng Kim Loan Sinh viên: Phạm Văn Ước 9 2.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu . 26 2.3.1. Phƣơng pháp tổng quan tài liệu . 26 2.3.2. Các phƣơng pháp thực nghiệm . 26 2.3.2.1. Điều chế các vật liệu hấp phụ 26 2.3.2.2. Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ . 27 2.3.2.3. Nghiên cứu xác định tải trọng hấp phụ cực đại theo phƣơng pháp động 28 2.3.3. Phƣơng pháp đánh giá 29 2.3.3.1. Phƣơng pháp xác định đặc trƣng cấu trúc vật liệu 29 2.3.3.2. Phƣơng pháp xây dựng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ và tính toán tải trọng hấp phụ cực đại . 32 CHƢƠNG III . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 35 3.1. Kết quả xác định đặc trƣng cấu trúc của vật liệu . 35 3.1.1. Vật liệu M1 (Bùn đỏ nguyên gốc) 35 3.1.2. Vật liệu M2 (Bùn đỏ biến tính) . 36 3.1.3. Vật liệu M3 (Dịch lọc bùn đỏ + cao lanh tinh chế) . 37 3.2. Khảo sát khả năng hấp thụ của các vật liệu 38 3.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ . 38 3.2.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH . 41 3.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu 44 3.3. Khảo sát khả năng xử lý amoni của vật liệu dịch bùn đỏ + cao lanh tinh chế bằng mô hình động 49 CHƢƠNG IV . KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Đồng Kim Loan Sinh viên: Phạm Văn Ước 10 LỜI MỞ ĐẦU Khoảng 71% với 361 triệu km 2 bề mặt trái đất đƣợc bao phủ bởi nƣớc. Nƣớc là dạng vật chất rất cần cho tất cả các sinh vật sống trên Trái Đất. Nƣớc có nhiệt hoá hơi, đóng băng và ngƣng kết tƣơng đối gần nhau, vì vậy nƣớc tồn tại trên Trái Đất ở cả ba dạng: rắn, lỏng và hơi. Ngƣời ta đã phát hiện thấy khoảng 80% loại bệnh tật của con ngƣời có liên quan đến chất lƣợng của nguồn nƣớc dùng cho sinh hoạt. Vì vậy chất lƣợng nƣớc có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp bảo vệ và chăm sóc sức khoẻ cộng đồng. Các nguồn nƣớc đƣợc sử dụng chủ yếu là nƣớc mặt và nƣớc ngầm đã qua xử lý hoặc sử dụng trực tiếp. Phần lớn chúng đều bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần và mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của từng vùng và phụ thuộc vào địa hình mà nó chảy qua hay vị trí tích tụ. Ngày nay, với sự phát triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hoá và bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nƣớc tự nhiên ngày càng cạn kiệt và ngày càng ô nhiễm. Hoạt động nông nghiệp sử dụng gắn liền với các loại phân bón trên diện rộng. Các loại nƣớc công nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi trƣờng làm cho nƣớc ngầm ngày càng bị ô nhiễm các hợp chất nitơ mà chủ yếu là amoni. Amoni không gây độc trực tiếp cho con ngƣời nhƣng sản phẩm chuyển hoá từ amoni là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc. Các hợp chất nitrit và nitrat hình thành do quá trình oxi hoá của vi sinh vật trong quá trình xử lý, tàng trữ và chuyển tải nƣớc đến ngƣời tiêu dùng. Vì vậy việc xử lý amoni trong nƣớc là đối tƣợng rất đáng quan tâm. Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của các loại vật liệu tự nhiên và tái sử dụng chất thải trong lĩnh vực xử lý nƣớc, khóa luận đã chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo zêolit từ bùn đỏ và khảo sát khả năng loại bỏ ion amoni trong nƣớc ”