Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đáng giá khả năng hoạt hóa bùn đỏ và ứng dụng để xử lý chất ô nhiễm H2S trong khí thải. Bùn đỏ được lấy từ nhà máy bôxít ở Tân Rai và được hoạt hóa với các loại axít ở nồng độ khác nhau và nhiệt độ khác nhau. Kết quả cho thấy bùn đỏ hoạt hóa ở 800 oC sử dụng axít H2SO4 nồng độ 1,5 M cho hiệu quả xử lý H2S cao nhất. Hiệu suất hấp phụ trung bình ở mức 80,2% và dung lượng hấp phụ đạt đến 29,4 mgH2S/g bùn đỏ hoạt hóa. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và nồng độ đầu vào lên quá trình hấp phụ cũng được khảo sát và kết quả chỉ ra rằng hiệu suất hấp phụ cao nhất ở lưu lượng 1 L/phút với nồng độ H2S đầu vào là 100 mg/m3. Các kết quả này cho thấy tiềm năng của bùn đỏ trong việc chế tạo một loại vật liệu có khả năng hấp phụ cao chất khí ô nhiễm H2S trong thực tế.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ TRẺ BÁCH KHOA 2019 Lâm P T Hiền, Lê T A Huy, Phạm Đ Thanh, Đoàn Q Vinh, Lê N Đ Khoa, Trần Đ Vĩ, Phạm H Hải, Bùi K Lê, Lê T K Thi, Nguyễn N Huy Nghiên cứu chế tạo vật liệu bùn đỏ hoạt hóa ứng dụng hấp phụ H2S khí thải Tóm tắt—Nghiên cứu thực nhằm đáng giá khả hoạt hóa bùn đỏ ứng dụng để xử lý chất ô nhiễm H2S khí thải Bùn đỏ lấy từ nhà máy bơxít Tân Rai hoạt hóa với loại axít nồng độ khác nhiệt độ khác Kết cho thấy bùn đỏ hoạt hóa 800 oC sử dụng axít H2SO4 nồng độ 1,5 M cho hiệu xử lý H 2S cao Hiệu suất hấp phụ trung bình mức 80,2% dung lượng hấp phụ đạt đến 29,4 mgH 2S/g bùn đỏ hoạt hóa Ảnh hưởng lưu lượng dịng khí nồng độ đầu vào lên q trình hấp phụ khảo sát kết hiệu suất hấp phụ cao lưu lượng L/phút với nồng độ H2S đầu vào 100 mg/m3 Các kết cho thấy tiềm bùn đỏ việc chế tạo loại vật liệu có khả hấp phụ cao chất khí nhiễm H2S thực tế Từ khóa—Bùn đỏ, hydro sulfua, hấp phụ, xử lý khí thải GIỚI THIỆU H2S chất khí độc hại, khơng màu có mùi thối khó chịu, có nguồn gốc từ tự nhiên nhân tạo, chúng gây ảnh hưởng lớn tới mơi trường khơng khí, bên cạnh chúng cịn tác nhân gây ăn mòn thiết bị đường ống H2S loại khí nhiễm phổ biến cơng nghiệp, khí biogas, kho than đá, q trình phát sinh mùi nhà máy xử lý nước thải chế biến phân compost Ô nhiễm khí thải chứa H2S vấn đề đề cập nhiều tài liệu cơng trình nghiên cứu.[3] Để xử lý H2S có nhiều phương pháp nghiên cứu ứng dụng hấp thụ, hấp phụ, oxy hóa sinh học… Bài báo nhận ngày 20/01/2019 Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM khuôn khổ đề tài mã số T-MT-2018-114 Lâm Phạm Thanh Hiền học viên cao học kỹ thuật viên Khoa Môi trường Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Lê T A Huy Phạm Đ Thanh hai sinh viên vừa tốt nghiệp Khoa Môi trường Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Đoàn Q Vinh, Lê N Đ Khoa, Trần Đ Vĩ, Phạm H Hải, Bùi K Lê Lê T K Thi sinh viên Khoa Môi trường Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQGHCM Nguyễn N Huy giảng viên Khoa Môi trường Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM việc tìm loại vật liệu hấp phụ mới, hiệu rẻ tiền quan tâm Bùn đỏ chất thải rắn có tính kiềm cao, pH từ 10 – 12, kích thước hạt mịn, 10µm, dện tích bề mặt riêng khoảng 10 – 30 m2/g [9], có nguồn gốc từ ngành công nghiệp chế biến khai thác Nhôm, thành phần chủ yếu chứa torng bùn đỏ gồm hỗn hợp nhiều oxit kim loại Fe 2O3, Al2O3, SiO2, Na2O… Bên cạnh đó, trình chế biến quặng Bauxit có sử dụng lượng lớn NaOH làm bùn đỏ có pH 10, giá trị cao [4 - 8], việc nghiên cứu ứng dụng bùn đỏ để sử dụng làm vật liệu hấp phụ xu hướng quan tâm Nhiều nghiên cứu cho thấy bùn đỏ có khả hấp phụ tốt Để dung lượng hấp phụ đạt hiệu cao hơn, người ta biến tính bùn đỏ cách hoạt hóa nhiều phương pháp khác như: acid, nhiệt, hay hoạt hóa kết hợp [6] Hiện nay, việc nghiên cứu sử dụng bùn đỏ để hấp phụ khí thải H 2S hạn chế Trong nghiên cứu này, bùn đỏ từ nhà máy bơxít Tân Rai thu sau hoạt hóa axít khác nồng độ, nhiệt độ khác dùng làm chất hấp phụ việc xử lý H2S Bên cạnh khảo sát ảnh hưởng lưu lượng dịng khí nồng độ đầu vào H2S với việc nhả hấp tái sử dụng chất hấp phụ VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HỘI NGHỊ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ TRẺ BÁCH KHOA 2019 Bùn đỏ khô sau xử lý sơ đến kích thước yêu cầu (0,097 – 0,45 mm) sau đem Hình Sơ đồ mơ hình nghiên cứu biến tính nhiệt độ khác 200, 400, 600 800 oC Bùn đỏ sau biến tính hoạt hóa dung dịch H 2SO4 HCl nồng độ khác từ 0,5M; 1,5M; 2,5M theo quy trình cơng bố giới [1, 2] Vật liệu bùn đỏ hoạt hóa HCl ký hiệu RMXC-Y hoạt hóa H2SO4 ký RMXS-Y, với X nhiệt độ hoạt hóa Y nồng độ acid hoạt hóa Than hoạt tính chuẩn bị từ than viên lọc nước hồ cá thương mại Than sau mua đập nhỏ rây lấy kích thước 0,097 – 0,45 mm Hình Quy trình chế tạo vật liệu bùn đỏ hoạt hóa Mơ hình thí nghiệm hấp phụ thể Hình Khí H2S tạo cách với nhỏ dung dịch H2SO4 từ ống chứa xuống bể phản ứng chứa dung dịch Na2S Dịng khí sinh có lưu lượng 0,05– 0,2 L/phút phối trộn với khơng khí bên làm bụi, khử ẩm than hoạt tính có lưu lượng 1–3 L/phút đưa vào vào mơ hình thí nghiệm Tháp hấp thụ làm vật liệu silica có đường kính 16 mm có chứa bơng thuỷ tinh để đỡ vật liệu hấp phụ chiều cao cột hấp phụ từ 15 – 25 mm Vận tốc dịng khí tháp khoảng 0,2 m/s lưu lượng khoảng 1,0 – 3,0 L/phút Khí H2S đầu vào đầu lấy mẫu phân tích theo TCN 676 – 2006 Cụm thiết bị lấy mẫu: gồm hai impinger mắc nối tiếp để lấy mẫu khí H2S phân tích xác định nồng độ KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Kết hấp phụ loại vật liệu Thí nghiệm tiến hành hấp phụ H2S khoảng nồng độ đầu vào 90 – 110 mg/m3, chiều cao vật liệu khoảng 18 – 22 mm nhằm so sánh hiệu hấp phụ theo khối lượng H2S bị loại bỏ than hoạt tính bùn đỏ hoạt hóa nhiệt độ khác nồng độ acid khác với khối lượng vật liệu hấp phụ g Hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ thể Hình Hình Hình Hiệu suất hấp phụ H2S loại vật liệu khác HỘI NGHỊ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ TRẺ BÁCH KHOA 2019 Hình Dung lượng hấp phụ H2S loại vật liệu khác Dựa vào đồ thị biểu kết thí nghiệm cho thấy điều kiện khảo sát, vật liệu hấp phụ có mẫu vật liệu RM2, RM2C-0.5 RM4 có dung lượng hấp phụ 3,64 mg/g, 6,48 mg/g 5,08 mg/g nhỏ so với than hoạt tính có dung lượng 6,56 mg/g Và theo mẫu có hiệu hấp phụ tốt ghi nhận RM6S-1.5, RM8S-1.5, RM8S-2.5 RM8C-1.5 Mẫu RM8S-1.5 cho hiệu tốt với dung lượng 29,38 mg/g, hiệu suất xử lý trung bình 80,19 % sau 540 phút Với bùn đỏ hoạt hóa nhiệt độ khác 200, 400, 600, 800 oC, thí nghiệm cho thấy nhiệt độ cao dung lượng hấp phụ hiệu suất trung bình vật liệu bùn đỏ hoạt hóa tăng Nhiệt độ hoạt hóa 800 oC cho hiệu hấp phụ tốt mẫu RM8S-1.5 có dung lượng gấp 2,2 lần so với mẫu bùn đỏ hiệu nhiệt độ 200oC RM4S-2.5 Với nhiệt độ hoạt hóa, mẫu bùn đỏ hoạt hóa H2SO4 HCl nồng độ khác 0,5M, 1,5M 2,5M khối lượng vật liệu hấp phụ 3g chiều cao lớp hấp phụ từ 18 – 22 mm hoạt hóa H2SO4 cho dung lượng hấp phụ hiệu suất trung bình lớn so với hoạt hóa HCl Ở nhiệt độ loại acid hoạt hóa, thí nghiệm cho thấy nhiệt độ 200 400 oC hiệu hấp phụ H2S cao tăng nồng độ acid Tuy nhiên nhiệt độ 600 800oC nồng độ acid 1,5 M cho hiệu tốt 3.2 Xác định thơng số động học Thí nghiệm hấp phụ H2S sau tiến hành khoảng nồng độ H2S đầu vào từ 40 – 130 mg/m3 mẫu bùn đỏ hoạt hóa RM8S-1.5 với khối lượng g chiều cao hấp phụ 19 mm Kết thí nghiệm thể Hình Hình Dung lượng hấp phụ hiệu suất RM8S-1.5 nồng độ đầu vào Theo đồ thị biểu diễn kết quả, khối lượng vật liệu hấp phụ, nồng độ H2S đầu vào tăng từ 40 đến 100 mg/m dung lượng hấp phụ tăng sau giảm nhanh nồng độ 100 – 120 mg/m3 Phân tích đẳng nhiệt hấp phụ thiết lập để xác định thông số đặc trưng việc chế tạo vật liệu hấp phụ Các số liệu thực nghiệm phân tích với mơ hình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Để xác định thơng số đặc trưng, thí nghiệm hấp phụ H2S tiến hành nồng độ khác từ 40 – 130 mg/m khối lượng bùn đỏ 3g Tại nồng độ đầu vào, thời gian bão hòa vật liệu hấp phụ ghi nhận đồng thời dung lượng hấp phụ xác định Từ kết thí nghiệm, dựng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freundlich cho mẫu bùn đỏ RM8S-1.5 với thông số tương ứng thể hình Hình Phương trình đẳng nhiệt Langmuir thí nghiệm hấp phụ H2S RM8S-1.5 Kết từ Hình cho thấy mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mơ tả tương đối xác trình hấp phụ H 2S vật liệu RM8S-1.5 thông qua hệ số tương quan r = 0,906 dung lượng hấp phụ lớn vật liệu đạt a max = 36,68 mg/g Để đánh giá trình hấp phụ có phù hợp với dạng hấp phụ đơn lớp theo mơ tả phương trình Langmuir hay khơng cần phải đánh HỘI NGHỊ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ TRẺ BÁCH KHOA 2019 giá thông qua tham số cân RL (equilibrium tâm hấp phụ bề mặt vật liệu tương đối parameter): đồng tượng hấp phụ đơn lớp chiếm ưu Từ đồ thị tính dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu amax = 36,68 mg/g Thí RL K L Co nghiệm hấp phụ chứng tỏ bùn đỏ xử lý Dựa vào tham số RL để đánh giá mức độ nhiệt 800°C sau tiếp tục hoạt hố acid H2SO4 1,5 M có khả hấp phụ H 2S cao phù hợp mơ hình hấp phụ Langmuir nồng độ 100 mg/m3 Bảng Sự phù hợp mơ hình đẳng nhiệt tham số RL [2] Bảng 2: Giá trị tham số RL theo nồng độ đầu vào Co (mg/m3) 45,13 RL 0,45 63,78 0,37 85,74 0,30 105,71 0,26 126,16 0,23 Từ Bảng thấy giá trị tham số R L nhỏ với nồng độ đầu vào khảo sát nên xác định mơ hình đẳng nhiệt Langmuir phù hợp với trình hấp phụ H2S mẫu bùn đỏ RM8S-1.5 thể hình Giá trị RL Mức phù hợp RL > Không phù hợp RL = Tuyến tính < RL < Phù hợp RL = Không thuận nghịch 3.3 Ảnh hưởng lưu lượng dịng khí đầu vào Thí nghiệm thực với nồng độ đầu vào nằm khoảng 100 – 110mg/m 3, khối lượng vật liệu hấp phụ RM8S-1.5 2g, chiều cao lớp hấp phụ 13mm Kết thí nghiệm trình bày Hình Khi tốc độ dịng nhỏ thời gian tiếp xúc chất bị hấp phụ chất hấp phụ lớn, Thời gian khuếch tán H2S lên bề mặt bùn đỏ lâu nên dung lượng hấp phụ tăng ngược lại Kết lưu lượng tăng từ đến 3L/phút dung lượng hấp phụ mẫu bùn đỏ RM8S-1.5 giảm dần từ 30,49 mg/g xuống cịn 16,58 mg/g, hiệu suất trung bình giảm từ 80,31 % đến 49,87 % Hình Phương trình đẳng nhiệt Freundlich thí nghiệm hấp phụ H2S RM8S-1.5 Hệ số n đặc trưng định tính cho chất tương tác hệ hấp phụ bùn đỏ hoạt hóa RM8S-1.5 thỏa điều kiện n < (n = 0,392) Việc đánh giá phù hợp hệ hấp phụ (sự phù hợp giữ chất hấp phụ với chất bị hấp phụ) dựa hệ số K F giá trị R2 = 0,662 Kết từ Hình cho thấy trình hấp phụ H2S vật liệu RM8S-1.5 khơng phù hợp với mơ hình hấp phụ Freundlich Có thể thấy q trình hấp phụ H 2S RM8S-1.5 phù hợp với mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (R2 = 0,906) Frendlich (R2 = 0,662) Sự hấp phụ H2S bùn đỏ hấp phụ vật lý lực hút tĩnh điện mà cịn có tương tác hóa học khống sắt với H 2S Thí nghiệm hấp phụ H2S bùn đỏ thiên hấp phụ vật lý, lực hấp phụ yếu hấp phụ hóa học thí nghiệm phản ứng Fe2O3 từ trình chuyển pha tăng nhiệt độ hoạt hóa lên 800 oC với H2S Tuy nhiên nhiệt độ cao, phần Fe 2O3 bùn đỏ phản ứng với acid H 2SO4 Các Hình Dung lượng hấp phụ hiệu suất trung bình RM8S-1.5 lưu lượng 3.4Thí nghiệm giải hấp tái sinh vật liệu hấp phụ Thí nghiệm tiến hành để khảo sát ảnh hưởng trình giải hấp đến khả tái hấp phụ bùn Quá trình giải hấp thực sấy mẫu vật liệu nhiệt độ 200oC 400oC 20 HỘI NGHỊ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ TRẺ BÁCH KHOA 2019 Malone Rubright, S.L., L.L Pearce, and J Peterson, phút với mẫu RM8S-1.5 bão hòa, nhiệt độ Environmental toxicology of hydrogen sulfide Nitric này, chất bị hấp phụ giải phóng ngồi Oxide, 2017 71: p 1-13 Sau giải hấp, vật liệu để nguội sau Yanju Liu, R.N., Hui Ming, Red mud as an tái sử dụng hấp phụ để khảo sát Kết thí amendment for pollutants in solid and liquid phases Geoderma, 2011 163(1-2): p 1-12 nghiệm trình bày hình Dựa vào đồ thị khảo sát sau giải hấp dung lượng hiệu suất trung bình thấp nhiều so với vật liệu ban đầu, nhiên vào mức cao.Ở nhiệt độ giải hấp 400oC cho ta dung lượng hấp phụ lẫn hiệu suất cao so với giải hấp 200oC, nhiên chênh lệch không nhiều, hiệu suất tăng khoảng 2% từ 76,17 lên đến 78,24% dung lượng tăng từ 24 đến 26,9 mg/g so với chi phí lượng phải bỏ KẾT LUẬN Những vật liệu hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ phần lớn có khả xử lý H 2S tốt so với than hoạt tính Hiệu hấp phụ tăng tăng nhiệt độ hoạt hóa H2SO4 cho thấy hiệu xử lý tốt HCl Càng tăng nồng độ H2S đầu vào dung lượng hấp phụ tăng hiệu suất trung bình giảm Tuy nhiên tăng nồng độ từ 100 – 120 mg/m dung lượng giảm hiệu suất hấp phụ giảm mạnh Dung lượng hấp phụ tốt ghi nhận nồng độ 100 mg/m3 29,38 mg/g Quá trình hấp phụ phù hợp với mơ hình hấp phụ Langmuir (R = 0,906) mơ hình hấp phụ Freundlich (R = 0,662) Kết phù hợp với số liệu thực nghiệm trình hấp phụ đơn lớp Mẫu bùn đỏ hoạt hóa nhiệt độ 800oC, sau tiếp tục hoạt hóa acid H2SO4 1,5M đạt hiệu xử lý H 2S tốt nồng độ đầu vào tốt 100mg/m Quá trình giải hấp để tái sử dụng bùn đỏ làm chất hấp phụ tiến hành cho kết cao đạt hiệu suất đến 75% Tuy nhiên nhiệt độ giải hấp 200oC 400oC cần phải xem xét lại nhu cầu giải hấp 400oC hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ sau có cao so với giải hấp 200oC giá trị không nhiều REFERENCES Vũ Đức Lợi, Dương Tuấn Hưng and N T Vân, "Nghiên cứu xử lý ion phosphat nước bùn đỏ biến tính," Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học, vol 20, no 3, 2015 H K P Ha, T T N Mai and N L Truc, "A sutdy on activation process of red mud to use as an Arsenic adsorption," vol 1, no Nguyễn Thị Thanh Thảo, Vũ Huyền Trân, Nguyễn Văn Chánh, Tận dụng phế thải bùn đỏ từ quặng Bauxite để sản xuất gạch đất sét nung nhiệt độ thấp Nguyễn Tuấn Dung, Vũ Xuân Minh, Nguyễn Thanh Mỹ, Lê Thị Mai Hương, Nghiên cứu hoạt hoá bùn đỏ Acid Sulfuric khảo sát khả hấp phụ Cr(VI) Tạp chí hố học, 2015 Trần Mạnh Hùng, Nghiên cứu thành phần, tính chất bùn đỏ định hướng ứng dụng lĩnh vực môi trường, Master's Thesis Science, 2012 Phạm Trần Thúy An, Nghiên cứu ứng dụng bùn đỏ làm vật liệu xúc tác xử lý nước thải phương pháp oxy hoá ướt, Master's Thesis Science, 2011 Harekrushna Sutar, et al., Progress of Red Mud Utilization: An Overview Review Article HỘI NGHỊ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ TRẺ BÁCH KHOA 2019 Preparation of activated red mud and its application for removal of hydrogen sulfide in air Lam P T Hien, Le T A Huy, Pham D Thanh, Doan Q Vinh, Le N D Khoa, Tran D Vi, Pham H Hai, Bui K Le, Le T K Thi, and Nguyen N Huy Abstract: In this work, we prepared activated red mud by thermal and acid treatment method and applied it for adsorption of H2S in air Results showed that red mud activated at 800 0C and with 1.5M H2SO4 solution had the highest adsorption capacity of 29.4 mg/g with average removal efficiency of 80.2% The effect of flowrate and initial concentration were also investigated and highest removal capacity was achieved at inlet concentration of 100mg/m3 and flowrate of 1L/min The thermal desorption and recyclability test were also conducted for evaluating the practical application of red mud Keywords: red mud, hydrogen sulfide, adsorption, air pollution control ... lượng hấp phụ thể Hình Hình Hình Hiệu suất hấp phụ H2S loại vật liệu khác HỘI NGHỊ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ TRẺ BÁCH KHOA 2019 Hình Dung lượng hấp phụ H2S loại vật liệu khác Dựa vào đồ thị biểu kết thí... HỘI NGHỊ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ TRẺ BÁCH KHOA 2019 Preparation of activated red mud and its application for removal of hydrogen sulfide in air Lam P T Hien, Le T A Huy, Pham D Thanh, Doan Q Vinh,... hiệu hấp phụ H2S cao tăng nồng độ acid Tuy nhiên nhiệt độ 600 800oC nồng độ acid 1,5 M cho hiệu tốt 3.2 Xác định thơng số động học Thí nghiệm hấp phụ H2S sau tiến hành khoảng nồng độ H2S đầu vào