Nghiên cứu xử lý ion Fe2+ trong nước thải sử dụng vật liệu hấp phụ cao cordierite quy mô phòng thí nghiệm

Bài viết này, tóm tắt kết quả nghiên cứu xử lý ion Fe2+ trong nước thải, bằng cách sử dụng vật liệu hấp phụ CaO/cordierite ở quy mô phòng thí nghiệm. Hiệu suất loại bỏ Fe2+ đạt giá trị cao nhất khi sử dụng 0,1 g/l CaO/cordierite ở điều kiện pH = 4, nồng độ Fe2+ giảm từ 100 mg/l xuống 35,62 mg/l sau 45 phút phản ứng.

Hội thảo khoa học Quốc gia Quản lý tài nguyên, môi trường phát triển bền vững vùng Tây Bắc, Việt Nam NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ION Fe2+ TRONG NƯỚC THẢI SỬ DỤNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ CaO/CORDIERITE QUY MÔ PHỊNG THÍ NGHIỆM Lê Lợi1, Đồn Thị Oanh*2, Nguyễn Thành Trung2, Lê Văn Nhân3 Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Cao Đẳng Sơn La Khoa Môi trường, Trường ĐH Tài nguyên Môi trường Hà Nội Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam * Email: doanoanh158@gmail.com Tóm tắt: Hiện nay, nhiễm kim loại nặng nguồn nước vấn đề thu hút quan tâm, nhà khoa học nhiều người dân toàn giới, tác động tiêu cực chúng đến môi trường, hệ sinh thái sức khỏe người Đặc biệt, nước thải khu vực khai thác khoáng sản chứa lượng lớn kim loại nặng như: Fe, Mn, Cr, Ni, Zn, Hg, ion Fe2+ chiếm thành phần chủ yếu Bài báo này, tóm tắt kết nghiên cứu xử lý ion Fe2+ nước thải, cách sử dụng vật liệu hấp phụ CaO/cordierite quy mơ phịng thí nghiệm Hiệu suất loại bỏ Fe2+ đạt giá trị cao sử dụng 0,1 g/l CaO/cordierite điều kiện pH = 4, nồng độ Fe2+ giảm từ 100 mg/l xuống 35,62 mg/l sau 45 phút phản ứng Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt ion sắt CaO/cordierite mơ tả mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, với nồng độ Fe2+ nước thải hấp phụ cao đạt 200 mg/g Điều cho thấy, CaO/cordierite chất hấp phụ tiềm loại bỏ Fe2+ nguồn nước nói chung đặc biệt nước thải Từ khóa: CaO, cordiertie, Fe2+, hấp phụ MỞ ĐẦU Ở Việt Nam, ngành khai thác khoáng sản chiếm vị trí quan trọng kinh tế, đóng góp khoảng % tổng GDP năm [1] Tuy nhiên, bên cạnh đóng góp đáng kể kinh tế, hoạt động khai thác khoáng sản tác động đến đời sống, hoạt động sản xuất người dân mơi trường xung quanh, tình trạng nhiễm tiếng ồn, ô nhiễm bụi, đặc biệt ô nhiễm nguồn nước thải phát sinh từ khu vực khai thác khoáng sản Việc khai thác khoáng sản từ lịng đất làm phát sinh mơi trường lượng lớn nước thải chứa nhiều kim loại nặng Fe, Mn, Cr, Ni, Zn, Hg,… ion Fe2+ chiếm thành phần chủ yếu [2, 3] Do đó, vấn đề loại bỏ kim loại nặng, đặc biệt ion sắt có nước thải trước xả thải môi trường vấn đề cấp thiết Có nhiều phương pháp nhằm tách ion kim loại nặng khỏi môi trường nước như: kết tủa, trao đổi ion, hấp phụ,… [4] Trong hấp phụ phương pháp sử dụng rộng rãi, thu hút quan tâm nhà khoa học ngồi nước, có nhiều ưu điểm hiệu xử lý cao, quy trình xử lý đơn giản, vật liệu hấp phụ tái sinh, tách đồng thời nhiều loại kim loại dung dịch không gây ô nhiễm thứ cấp [5] Các vật liệu hấp phụ (VLHP) nay, sử dụng có nguồn gốc tự nhiên tổng hợp nhân tạo than hoạt tính, zeolit, khống sét, chất thải rắn công nghiệp vật liệu sinh học [6] Trong phạm vi báo này, công bố kết nghiên cứu đánh giá khả xử lý sắt vật liệu hấp phụ CaO/cordierite chế tạo từ nguồn nguyên liệu phổ biến rẻ tiền VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu + Vật liệu hấp phụ CaO/cordierite; + Dung dịch Fe2+ nước thải giả định 2.2 Hóa chất, thiết bị Muối dùng để pha nước thải giả định FeSO4.7H2O (hãng Merck, Đức) Máy đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS (Thermo - Anh) 138 Lê Lợi, Đoàn Thị Oanh, Nguyễn Thành Trung, Lê Văn Nhân 2.3 Quy trình nội dung nghiên cứu Vật liệu CaO/cordierite chế tạo sở phối trộn nguyên liệu: bột gốm cordierite, bột vôi CaO bột cao lanh Thực nghiền nhỏ bột gốm cordierite thu lấy hạt có kích thước < 0,1 mm màng rây Cao lanh khoáng vật tự nhiên màu trắng, dẻo, mềm [7] Hình Quy trình thực nghiệm khảo sát hấp phụ Thực đánh giá khả hấp phụ Fe2+ thông qua thông số với điều kiện khác như: giá trị pH (2 đến 7), khối lượng CaO/cordierite (từ 0,02; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 (g/L)), thời gian tiếp xúc (5; 15; 30; 45; 60; 120; 150 (phút)) Thể tích dung dịch nghiên cứu 250 mL dung dịch, nồng độ Fe2+ 100 mg/L [8] Quy trình bố trí thực nghiệm khảo sát hấp phụ trình bày Hình - Dung lượng hấp phụ tính theo cơng thức: q= ( C − C ) V i f (1) m đó: q: Dung lượng hấp phụ đường hấp phụ cân (mg/g); Ci: Nồng độ dung dịch đầu (mg/L); Cf: Nồng độ dung dịch đạt cân hấp phụ (mg/L); V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L); m: Khối lượng chất hấp phụ (g) - Hiệu suất hấp phụ (H, %): H= Khảo sát tham số hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir - Phương trình Langmuir có dạng: phương trình Ci − C f (2) Ci 100 đẳng q = qm nhiệt hấp K L C + K L C phụ theo mơ hình đường (3) Nghiên cứu xử lý ion Fe2+ sử dụng vật liệu hấp phụ Cao/Cordierite quy mơ phịng thí nghiệm 139 đó: q: Tải trọng hấp phụ thời điểm cân (mg/g); qm: Tải trọng hấp phụ cực đại (mg/g); K: Hằng số (cân bằng) hấp phụ Langmuir; C: Nồng độ dung dịch hấp phụ Từ giá trị KL xác định tham số cân RL: RL = 1 + K L Co (4) đó: < RL < thể hấp phụ tuân theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Khảo sát tiến hành dải nồng độ ion kim loại dung dịch sau: 50; 100; 150; 200; 300; 400; 600; 800 1000 (mg/L) pH = 4, thời gian phản ứng 45 phút, khối lượng CaO/cordierite 0,1 g/L KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết đánh giá ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ Fe+2 Sự ảnh hưởng pH đến khả xử lý ion Fe2+ CaO/cordierite đánh giá điều kiện sau: nồng độ Fe2+ ban đầu 100 mg/L, thể tích dung dịch nghiên cứu 250 mL, khối lượng VLHP 0,05 g/L, thời gian phản ứng 30 phút, pH = 2, 3, 4, 5, 6, Hình Ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ Fe2+ CaO/cordierite Hình biểu thị ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ Fe+2 CaO/cordierite Kết nghiên cứu cho thấy việc loại bỏ ion Fe2+ phụ thuộc nhiều vào pH dung dịch Trong khoảng pH khảo sát, tăng pH từ đến 4, hiệu suất hấp phụ tăng từ 11,35 % đến 23,95 % dung lượng hấp phụ tăng từ 56,75 mg/g đến 119,75 mg/g Tại pH = 4, vật liệu đạt hiệu suất dung lượng hấp phụ cao (23,95 % 119,75 %) Tuy nhiên tăng pH từ đến 7, hiệu suất giảm từ 23,95 % xuống 6,06 % dung lượng hấp phụ giảm từ 119,75 mg/g xuống 30,30 mg/g Nghiên cứu Ngô Thị Mai Việt, 2015 [9] báo cáo môi trường pH thấp, chất hấp phụ chất bị hấp phụ tích điện dương, làm xuất lực đẩy tĩnh điện, nồng độ H+ khác nhau, dẫn tới cạnh tranh ion H+ ion kim loại (trong nghiên cứu Fe2+), nên giá trị pH dung lượng hấp phụ thấp Tuy nhiên, tăng pH lên cao, xảy phản ứng kết tủa Fe (OH)2, từ làm giảm 140 Lê Lợi, Đoàn Thị Oanh, Nguyễn Thành Trung, Lê Văn Nhân khả hấp phụ sắt vật liệu Kết nghiên cứu cho thấy, giá trị pH tối ưu cho hấp phụ Fe2+ CaO/cordierite pH = 3.2 Kết đánh giá ảnh hưởng khối lượng đến trình hấp phụ Fe2+ Giá trị pH = lựa chọn đánh giá ảnh hưởng khối lượng CaO/cordierite đến trình hấp phụ Fe2+ Nồng độ Fe2+ ban đầu 100 mg/L, thời gian tiếp xúc 30 phút, thể tích dung dịch nghiên cứu 250 mL, khối lượng VLHP 0,02; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 (g) Hình Ảnh hưởng khối lượng vật liệu CaO/cordierite đến trình hấp phụ Fe2+ Kết nghiên cứu trình bày Hình 3, với hiệu suất dung lượng hấp phụ Fe2+ thay đổi khối lượng vật liệu thay đổi Khi khối lượng vật liệu CaO/cordierite tăng từ 0,02 g đến 0,1 g, dung lượng hấp phụ tăng từ 97 mg/g đến 130,73 mg/g (tăng gấp 1,3 lần), đồng thời hiệu suất hấp phụ tăng từ 7,76 % đến 53,29 % (tăng gấp 6,7 lần) Tại mức khối lượng CaO/cordierite 0,1 g, dung lượng hấp phụ đạt cao 130,73 mg/g Nhưng khối lượng chất hấp phụ tăng từ 0,1 g đến 0,25 g, dung lượng hấp phụ lại giảm từ 130,73 mg/g xuống 98,06 mg/g (giảm 1,4 lần), hiệu suất hấp phụ tăng từ 53,29 % lên 98,06 % (tăng 1,8 lần) Kết nghiên cứu tương đồng với kết nghiên cứu Ngô Thị Mai Việt, 2015 [9], khối lượng vật liệu hấp phụ tăng đồng nghĩa với tăng trung tâm hấp phụ, dẫn đến hiệu suất hấp phụ tăng dung lượng hấp phụ giảm Điều cho thấy, để đạt dung lượng hiệu suất hấp phụ cao (130,73 mg/g 52,29 %), khối lượng tối ưu cho q trình thí nghiệm 0,1 g vật liệu CaO/cordierite Theo kết số nghiên cứu trước chứng minh rằng: nồng độ thấp so với nồng độ cân bằng, hấp phụ cho khả loại bỏ kim loại nhiều so với nồng độ cao nồng độ cân [10] Sự tương tác tĩnh điện bề mặt VLHP yếu tố quan trọng định ảnh hưởng nồng độ VLHP tới khả loại bỏ kim loại nặng Khi nồng độ VLHP cao, gây tác dụng, giống lớp vỏ bảo vệ kích hoạt chiếm đóng kim loại, tương tác tĩnh điện điểm liên kết bề mặt VLHP lớn Như vậy, nồng độ VLHP ảnh hưởng đáng kể khả loại bỏ kim loại, nghiên cứu nồng độ VLHP 0,1 g/L lựa chọn cho nghiên cứu 3.3 Kết đánh giá ảnh hưởng thời gian đến trình hấp phụ Sự ảnh hưởng thời gian phản ứng CaO/cordierite đến khả loại bỏ ion Fe2+ dung dịch, bố trí thí nghiệm điều kiện: Nồng độ Fe2+ ban đầu 100 mg/L, pH = 4, thể tích dung dịch nghiên cứu 250 mL, khối lượng VLHP 0,1 g/L, thời gian tiếp xúc 5; 15; 30; 45; 60; 120; 150 (phút) Kết nghiên cứu cho thấy hiệu suất dung lượng hấp phụ vật liệu CaO/cordierite ion Fe2+ thay đổi thời gian hấp phụ thay đổi Khi tăng thời gian hấp phụ vật liệu từ - 30 phút, dung lượng hấp phụ vật liệu Fe2+ tăng từ 20,13 mg/g đến 130,73 mg/g hiệu suất hấp phụ tăng từ 8,05 % đến 52,29 % Nguyên nhân q trình hấp phụ vật liệu, cần có thời gian định để Fe2+ khuếch tán, di Nghiên cứu xử lý ion Fe2+ sử dụng vật liệu hấp phụ Cao/Cordierite quy mơ phịng thí nghiệm 141 chuyển vào cấu trúc bên vật liệu, thực trình trao đổi hấp phụ Do vậy, tăng thời gian thực hấp phụ vật liệu, dung lượng hiệu suất hấp phụ tăng lên Tại thời gian 45 phút, hiệu suất hấp phụ đạt cao 64,38 % dung lượng hấp phụ đạt cao 160,95 mg/g Từ phút 45 trở đi, hấp phụ đạt tới trạng thái cân bằng, nên thời gian lên đến 150 phút, hiệu suất dung lượng hấp phụ giảm nhẹ ổn định Do vật liệu hấp phụ đạt trạng thái cân bằng, khơng có khả hấp phụ thêm nữa, điều giải thích theo thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Như vậy, thời gian tăng, vật liệu khơng có khả hấp phụ ít, để thu dung lượng hiệu suất hấp phụ cao, thời gian hấp phụ tối ưu 45 phút sử dụng cho thí nghiệm Nghiên cứu Lizama-Allende, 2017 [8] báo cáo hợp chất chứa canxi có khả loại bỏ ion sắt cao thời gian yếu tổ ảnh hưởng đến khả hấp phụ sắt vật liệu Kumar cộng sự, 2006 giai đoạn đầu có nhiều chỗ trống chưa bị chiếm hữu bề mặt VLHP, nên trình hấp phụ thường diễn nhanh hơn, so với giai đoạn sau mà ion kim loại khó có khả tiếp xúc chỗ trống lại bề mặt VLHP [11] Hình Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc CaO/cordierite đến trình hấp phụ Fe2+ 3.4 Hấp phụ đẳng nhiệt theo mơ hình Langmuir Kết thực nghiệm đồ thị biểu diễn phụ thuộc Cf/q vào nồng độ cân Cf (mg/L) cho thấy, q trình hấp phụ Fe2+ mơ tả mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, vùng có nồng độ cao vùng có nồng độ thấp Hình Sự phụ thuộc Cf /q vào nồng độ cân Cf 142 Lê Lợi, Đoàn Thị Oanh, Nguyễn Thành Trung, Lê Văn Nhân Hình cho thấy, mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mơ tả tương đối xác hấp phụ ion kim loại nặng vật liệu CaO/cordierite thông qua hệ số xác định trình hồi quy R² = 0,999 Fe2+ Từ phân tích hồi quy suy hệ số phương trình Langmuir sau: Đối với Fe2+ : Cf/qe = 0,005 Ce + 0,068 Bảng Giá trị tham số RL, KL trình hấp phụ ion kim loại Fe2+ CaO/cordierite điều kiện tối ưu Nồng độ (mg/L) 50 100 150 200 300 400 600 800 1.000 RL 0,21384 0,11972 0,08313 0,06367 0,04337 0,03288 0,02216 0,01672 0,01342 KL 0,07353 0,07353 0,07353 0,07353 0,07353 0,07353 0,07353 0,07353 0,07353 Từ phương trình trên, ta tính dung lượng hấp phụ cực đại số hấp phụ KL Fe Bảng Sau xác định số hấp phụ KL, để xác định trình hấp phụ ion kim loại CaO/cordierite có phù hợp với dạng hấp phụ đơn lớp theo mơ tả mơ hình Langmuir hay khơng, tham số cân RL tính tốn phân tích Tham số RL tính dựa cơng thức (4) thu kết thể Bảng Từ giá trị RL thu nhận thấy giá trị khoảng 0,01342 - 0,21384 nhỏ nên khẳng định mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt phù hợp với trình hấp phụ Fe2+ Dựa vào Hình ta xác định tanα = 0,005 xác định Qmax: Qmax = 1/tanα = 1/0,005 = 200 (mg/g) Theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir kết thực nghiệm, xác định hệ số góc tgα = 0,005 từ tìm dung lượng hấp phụ cực đại qmax= 200 (mg/g) 2+ KẾT LUẬN Vật liệu CaO/cordierite có khả hấp phụ Fe2+ môi trường nước thải, với hiệu suất cao điều kiện: khối lượng 0,1 g, thời gian tiếp xúc phản ứng VLHP chất bị hấp phụ 45 phút, giá trị pH tối ưu 4, nồng độ Fe2+ 100 mg/L thể tích dung dịch 250 mL CaO/cordierite hấp phụ Fe2+ tn theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, với dung lượng hấp phụ cực đại 200 mg/g Kết nghiên cứu này, sở để phát triển mơ hình cơng nghệ xử lý nước thải chứa kim loại nặng quy mô pilot ứng dụng việc xử lý nước thải mỏ, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ hoạt động khai thác khoáng sản, nâng cao hiệu sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Báo cáo Đánh giá môi trường chiến lược Quy hoạch phát triển ngành Tập đồn Cơng nghiệp Than Khống sản đến năm 2020 [2] Đăng Độ (1997) Hóa học ô nhiễm môi trường, Nhà xuất Giáo dục [3] Đặng Xuân Thường, Nguyễn Mai Hoa (2015) Đánh giá chất lượng nước thải số mỏ than thuộc tổng cơng ty Đơng Bắc, Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 51, 7/2015, tr.60-66 [4] Lê Văn Cát (2002) Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lý nước nước thải, Nhà xuất Thống kê, Hà Nội [5] Matagi S V., Swai D., Mugabe R (1998) A review of heavy metal removal mechanisms in wetlands Afr J Trop.Hydrobiol Fish, 8, 23-35 [6] Singh N., Gupta S K (2016) Adsorption of heavy metals: a review Int J Innov Res Sci Eng Technol (2), 2267-2281 [7] Trần Thị Minh Nguyệt cộng (2012) Nghiên cứu chế tạo xúc tác sở vật liệu xúc tác nano làm việc 400 oC để xử lý khí thải q trình đốt rác thải y tế, 3/2/742/2009/HĐ-ĐTĐL 2012 [8] Lizama-Allende K., Henry-Pinilla D., Diaz-Droguett D E (2017) Removal of Arsenic and Iron from AcidicWater Using Zeolite and Limestone: Batch and Column Studies Water Air Soil Pollut (2017) 228:275 DOI 10.1007/s11270-017-3466-6 Nghiên cứu xử lý ion Fe2+ sử dụng vật liệu hấp phụ Cao/Cordierite quy mơ phịng thí nghiệm 143 [9] Ngơ Thị Mai Việt (2015) Nghiên cứu khả hấp phụ Mn (II), Ni(II) vật liệu chế tạo từ sắt (III) nitrat, natri silicat photphat Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 20, số 4/2015 [10] Minh Thị Thảo, Bùi Đình Nhi, Đàm Thị Thanh Hương, Vũ Đình Ngọ, Đồn Thị Oanh, (2017) Nghiên cứu khả hấp phụ ion chì đồng tảo Spirulina platensis Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học Tập 22/số (đặc biệt)/ 2017 [11] Kumar Y.P, King P, Prasad V.S (2006) Comparison for adsorption modeling of copper and zinc from aqueous solution by Ulva fasciata sp J Hazard Mater B, 135, 1246-1251 A STUDY ON USING CAO/CORDIERITE ABSORBENT MATERIAL TO REMOVE FE+2 IN WASTEWATER ON LABORATORY SCALE Le Loi1, Doan Thi Oanh2*, Nguyen Thanh Trung2, Le Van Nhan3 Faculty of Engineering - Technology, Son La College Faculty of Environment, Hanoi University of Natural Resources and Environment Center for Research and Technology Transfer, Vietnam Academy of Science and Technology * Email: doanoanh158@gmail.com Abstract: Nowadays, heavy metal pollution in water resources is one of the issues drawing the attention of sicentists and people over the world due to its negative effects on ecological environment and human health Particularly, wastewater from the miner areas contains high amount of heavy metals such as Fe, Mn, Cr, Ni, Zn, Hg; wherein, Fe+2 is the major component This paper presents the findings of this study to removal of Fe+2 in wastewater using CaO/Cordierite absorbent material on laboratory scale The highest efficiency in removal of Fe+2 in wastewater was reported at 68.34% after 45 of experiment under the conditions as 0.1g.L-1 CaO/Cordierite and pH = The isothermal adsorption process of Fe+2 ions by CaO/Cordierite absorbent material is described by the Langmuir isothermal model, with the highest content of Fe2+ in wastewater was removed at 200 mg.g-1 This indicates that CaO/cordierite is a potential absorbent material in removal of Fe+2 ions in water resources, especially, in wastewater Keywords: CaO, cordiertie, Fe2+, sorbent  ... trình hấp phụ vật liệu, cần có thời gian định để Fe2+ khuếch tán, di Nghiên cứu xử lý ion Fe2+ sử dụng vật liệu hấp phụ Cao/ Cordierite quy mơ phịng thí nghiệm 141 chuyển vào cấu trúc bên vật liệu, ... 10.1007/s11270-017-3466-6 Nghiên cứu xử lý ion Fe2+ sử dụng vật liệu hấp phụ Cao/ Cordierite quy mơ phịng thí nghiệm 143 [9] Ngô Thị Mai Việt (2015) Nghiên cứu khả hấp phụ Mn (II), Ni(II) vật liệu chế tạo... đẳng q = qm nhiệt hấp K L C + K L C phụ theo mơ hình đường (3) Nghiên cứu xử lý ion Fe2+ sử dụng vật liệu hấp phụ Cao/ Cordierite quy mơ phịng thí nghiệm 139 đó: q: Tải trọng hấp phụ thời điểm cân