Bảng 3.7. Kết quả ảnh hưởng của thời gian hòa tách đến q trình hịa tách bùn đỏ đỏ
Thời gian nAl3+ nFe3+ m Al3+ m Fe3+ H% Al3+ H% Fe3+
30 phút 0,053 0,064 1,42 3,56 42,3 34,25 60 phút 0,064 0,1 1,727 5,6 51,3 54,1 90 phút 0,076 0,125 2,043 7,05 60,7 67,8 120 phút 0,09 0,137 2,42 7,69 71,9 74,4 150 phút 0,09 0,14 2,42 7,88 71,9 76,3 180 phút 0,091 0,14 2,44 7,86 72,9 76,1 210 phút 0,091 0,141 2,44 7,9 73 76,5
Hình 3.7. Sự phụ thuộc hiệu suất hịa tách vào thời gian hịa tách
Q trình hịa tan bùn đỏ trong axit là quá trình dị thể nên tốc độ phản ứng hòa tan phụ thuộc rất nhiều vào thời gian tiếp xúc giữa hai pha. Thời gian tiếp xúc tốt càng dễ đạt được giá trị cân bằng nghĩa là phân bố nồng độ các chất ở hai pha đạt giá trị cân bằng. Các phản ứng hóa học càng gần trạng thái cân bằng tốc độ phản ứng càng chậm. Vì thế, chọn thời gian khơng dài mà hiệu suất tương đối cao đó là thời gian tối ưu.
Kết quả thực nghiệm cho thấy, ở giai đoạn đầu hiệu suất tăng theo thời gian nhanh vì khi đó phản ứng cịn xa trạng thái cân bằng. Về sau, khi gần trạng thái cân bằng thì tùy theo mức độ tích tụ các muối trong dung dịch và mức độ tiêu hao axit sunfuric khi hòa tan mà hoạt động và tốc độ của quá trình phân hủy giảm nên hiệu suất chuyển hóa tăng khơng đáng kể. Vì vậy, thời gian hịa tách 120 phút là thời gian tối ưu.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 30 60 90 120 150 180 210 Hiệu suất hịa tách (%) Thời gian (phút) H%Al3+ H%Fe3+
3.2.2. Quy trình chế tạo chất keo tụ đa thành phần (BĐ Al – Fe) từ bùn đỏ Tân Rai
Chất keo tụ chế tạo từ bùn đỏ là dạng chất keo tụ đa thành phần chứa nhơm và sắt. Quy trình chế tạo chất keo tụ là quy trình tuần hồn hịa tách một phần bùn đỏ. Dựa vào kết quả nghiên cứu 3.2.1 lựa chọn điều kiện hòa tách tối ưu:
Khối lượng bùn đỏ thô : 30 g
Axit H2SO4 : 3M
Nhiệt độ hoà tách : 950C
Thời gian hoà tách : 2h
Tốc độ khuấy : 300 vòng/phút
Tỷ lệ rắn/lỏng : 1:5
Hình 3.8. Sơ đồ quy trình chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe từ bùn đỏ
Bùn đỏ Tân Rai
Hòa tách trong 2h, khuấy đều
Lọc
Dung dịch hòa tách
Chất keo tụ BĐ Al – Fe Bã
H2SO4 3M
FexOy, TiOx, SiOx, Al2O3
Lấy 30g bùn đỏ đã được sấy khơ ở 105oC cho vào bình cầu 250ml. Sau đó, đổ từ từ axit H2SO4 3M với tỷ lệ lỏng/rắn là 1:5. Đun nóng hệ trên bếp đun cách thủy ở 95oC, với tốc độ khuấy 300 vịng/phút trong 120 phút. Bắt đầu tính thời gian từ lúc đổ axit vào hệ. Sau đó, đem toàn bộ đi lọc trên giấy lọc, thu được chất keo tụ BĐ Al – Fe. Phần bã rắn sẽ được nghiên cứu làm bột màu trong nghiên cứu khác nhằm không tạo ra chất thải thứ phát.
3.2.3. Kết quả phân tích thành phần chất keo tụ BĐ Al - Fe
Trong 30g bùn đỏ: 21,19% Al2O3 có 3,366g Al3+ 49,2% Fe2O3 có 10,332g Fe3+ Bảng 3.8. Thành phần chất keo tụ BĐ Al – Fe Thành phần Al3+ Fe3+ Nồng độ (mol/l) 0,84 1,12 Thể tích dung dịch (ml) 115 Khối lượng (g) 2,52 7,21 Hiệu suất (%) 74,7 69,8
3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng keo tụ từ chất keo tụ BĐ Al – Fe
3.3.1. Kết quả nghiên cứu xác định giá trị pH tối ưu của chất keo tụ BĐ Al – Fe
Bảng 3.9. Thành phần nước thải trước và sau keo tụ ở các pH khác nhau
Mẫu gốc pH
Độ đục (FTU) COD (mg/l) PO43- (mg/l) 702 Hiệu suất xử lý (%) 7360 Hiệu suất xử lý (%) 55 Hiệu suất xử lý (%) 3 511 27,2 6531 11,3 48 12,7
4 328 53,3 2154 70,7 36 34,5
5 118 83,2 1417 80,7 36 34,5
6 62 91,1 986 86,6 35 36,4
7 27 96,2 693 90,1 35 36,4
8 42 94 933 87,3 39 29,1
Từ bảng 3.9 ta thấy hiệu quả xử lý độ đục, COD, PO43- thay đổi rõ rệt tại các
dải pH khác nhau. Hiệu quả xử lý tăng lên khi ta tăng độ pH từ 3 – 7 và tại giá trị pH = 7 thì đạt hiệu quả xử lý tốt nhất. Do đó, pH = 7 là lựa chọn tối ưu của chất keo tụ BĐ Al – Fe để tiến hành thí nghiệm tiếp theo.
3.3.2. Kết quả nghiên cứu xác định liều lượng tối ưu của chất keo tụ BĐ Al - Fe
Bảng 3.10. Thành phần nước trước và sau keo tụ sử dụng liều lượng keo tụ khác nhau ở pH = 7
Mẫu gốc
V ml
Độ đục (FTU) COD (mg/l) PO43- (mg/l)
702 Hiệu suất xử lý (%) 7360 Hiệu suất xử lý (%) 55 Hiệu suất xử lý (%) 0,1 643 8,4 6531 11,3 51 7,3 0,2 354 49,6 2154 70,7 44 20 0,3 198 71,8 1417 80,7 38 30,9
0,4 82 88,3 986 86,6 34 38,2
0,5 30 95,7 693 90,6 16 70,9
0,6 34 95,2 736 90 20 63,6
1 37 94,7 933 87,3 19 65,5
Khi tăng liều lượng chất keo tụ từ 0,1 – 0,5ml thì COD và PO43- giảm mạnh là do sự hình thành các bơng keo với mật độ dày đặc hơn làm tăng các hiệu ứng không gian và bề mặt kéo các ion PO43- theo các bơng keo lắng xuống đáy. Trong q trình thủy phân ta thấy sắt là kim loại thuộc nhóm chuyển tiếp nên thể hiện một số tính chất đặc biệt về mặt điện hóa mà trong thành phần chất keo tụ có chứa ion Fe2+. Với cơ chế này, trong q trình thủy phân muối sắt có khả năng hình thành các gốc tự do làm đẩy nhanh quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ đặc biệt khi sự thủy phân của các muối này khơng hồn toàn theo một cơ chế nhất định và được thể hiện qua bảng 3.11
Bảng 3.11. Trạng thái cân bằng của sự thủy phân các ion Al3+ và Fe3+ ở các bậc
khác nhau [24]
Phản ứng thủy phân log K (25°C)
Al3+ + H2O → AlOH2+ + H+ -4.97
AlOH2+ + H2O → Al(OH)2+ + H+ -4.3
Al(OH)2+ + H2O → Al(OH)3 + H+ -5.7
2Al3+ + 2H2O → Al2(OH)24+ + 2H+ -7.7
3Al3+ + 4H2O → Al3(OH)45+ + 4H+ -13.97
13Al3+ + 28H2O → Al13O4(OH)247+ + 32H+ -98.73
Fe3+ + H2O → FeOH2+ + H+ -2.2
FeOH2+ + H2O → Fe(OH)2+ + H+ -3.5
Fe(OH)2+ + H2O → Fe(OH)3 + H+ -6
Fe(OH)3 + H2O → Fe(OH)4- + H+ -10
2Fe3+ + 2H2O → Fe2(OH)24+ + 2H+ -2,9
3Fe3+ + 4H2O → Fe3(OH)45+ + 4H+ -6,3
α-FeOOH(c) + H2O → Fe3+ + 3OH- -41,7
Sự hình thành các gốc tự do khi có mặt của ion Fe2+ trong dung dịch keo tụ:
Fe2+ + H2O + 1/2 O2 → Fe3+ + HO* + OH-
Từ bảng kết quả, liều lượng tối ưu của chất keo tụ BĐ Al – Fe dùng để xử lý là 0,5ml/l nước thải.
3.3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng keo tụ trong xử lí nước thải, so sánh với PAC, phèn nhôm, phèn sắt
a. Mẫu nước sông Tô Lịch
Bảng 3.12. Thành phần nước trước và sau khi sử dụng các chất keo tụ khác nhau nhau
Mẫu gốc Chất keo tụ
Độ đục (FTU) COD (mg/l) PO43- (mg/l)
110 186 3,4
PAC 3 44 1,24
Phèn nhôm 6 57 1,56
Phèn sắt 8 39 0,87
BĐ Al-Fe 6 41 0,39
Bảng 3.13. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- của một số chất keo tụ
Chất keo tụ Hiệu suất xử lí (%)
Độ đục COD (mg/l) PO43- (mg/l)
PAC 97 76,3 63,5
Phèn nhôm 94,5 69,4 54,1
Phèn sắt 92,7 79 74,4
Hình 3.9. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43-
Với mẫu nước thải sơng Tơ Lịch, q trình keo tụ của các chất keo tụ khác nhau để xử lý độ đục, COD, PO43- rất hiệu quả. Với độ đục thì cả 4 chất keo tụ đều cho kết quả xử lý rất tốt (trên 90%) nhưng PAC thì hiệu quả hơn hẳn. Với COD thì phèn sắt lại xử lý tốt nhất với 79%, tiếp đến là BĐ Al – Fe với 77,9%. Xử lí PO43- thì BĐ Al – Fe tốt nhất với 88,5%.
b. Mẫu nước thải tại xưởng sản xuất thực nghiệm - Viện hóa học cơng
nghiệp
Bảng 3.14. Thành phần nước trước và sau khi sử dụng các chất keo tụ khác nhau nhau
Mẫu gốc
Chất keo tụ
Độ đục (FTU) COD (mg/l) PO43- (mg/l)
688 6764 56 PAC 23 2299 41 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
PAC Phèn nhôm Phèn sắt BĐ Al-Fe
Độ đục COD PO43-
Phèn nhôm 44 3518 47
Phèn sắt 88 1488 35
BĐ Al – Fe 38 1587 21
Bảng 3.15. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43-
Chất keo tụ Hiệu suất xử lí (%)
Độ đục COD PO43-
PAC 96,7 65,8 26,7
Phèn nhôm 93,6 53,4 16,5
Phèn sắt 87,2 78,2 38
BĐ Al – Fe 94,5 76,5 62,6
Hình 3.10. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
PAC Phèn nhôm Phèn sắt BĐ Al-Fe
Độ đục COD PO43-
Kết quả xử lý nước được đánh giá qua hiệu suất xử lý thể hiện trên hình cho thấy: với cùng 1 lượng các chất keo tụ sử dụng tính theo lượng mol ion cho vào thì các chất keo tụ cho hiệu quả xử lý độ đục tương đối tốt nhưng hiệu quả hơn vẫn là PAC; với xử lý COD và PO43- thì chất keo tụ từ bùn đỏ và phèn sắt cho hiệu quả cao hơn đặc biệt với chất keo tụ BĐ Al - Fe cho kết quả rất tốt khi xử lý được 76,5% COD và 62,6% PO43- trong nước thải.
Với các mẫu nước thải khác nhau thì hiệu quả xử lí của các chất keo tụ cũng khác nhau. Với nước thải tại Viện hóa học cơng nghiệp có hàm lượng COD cao, chứa nhiều chất hữu cơ khó phân hủy nên sau quá trình keo tụ hiệu quả thấp hơn so với mẫu nước thải sơng Tơ lịch. Mỗi chất keo tụ có cấu trúc khác nhau nên hiệu quả xử lí cũng khác nhau. Khi xử lí độ đục thì chất keo tụ PAC thì hiệu quả tốt nhất, xử lí COD và PO43- thì phèn sắt và bùn đỏ BĐ Al – Fe thì hiệu quả hơn.
KẾT LUẬN
Đã nghiên cứu đặc tính hóa lý của bùn đỏ Tân Rai – bã thải từ quy trình sản xuất nhôm hydroxit của nhà máy hóa chất Tân Rai. Kết quả nghiên cứu cho thấy bùn đỏ Tân Rai chứa nhiều oxit nhôm (21,19%), oxit sắt (49,2%) và các cấu trúc pha khác nhau, diện tích bề mặt riêng lớn (54,68 m2/g), kích cỡ hạt nhỏ (0,5 – 1,5 µm) dễ tham gia các phản ứng dị pha, có thể sử dụng làm nguyên liệu cho việc chế tạo chất keo tụ
Đã nghiên cứu điều kiện tối ưu trong quá trình chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ. Kết quả cho thấy sử dụng axit sunfuric với nồng độ 3M, nhiệt độ 95oC, tốc độ khuấy 300 vòng/phút, thời gian hòa tách 120 phút, tỷ lệ lỏng/rắn là 1:5 là tốt nhất để chế tạo được chất keo tụ đa thành phần BĐ Al – Fe từ bùn đỏ Tân Rai.
Đã nghiên cứu khả năng ứng dụng chất keo tụ chế tạo được vào xử lý độ đục, COD và PO43-. Kết quả cho thấy chất keo tụ BĐ Al – Fe xử lý độ đục, COD và PO43-tốt nhất ở pH = 7 với liều lượng 0,5ml/l nước thải. Thử nghiệm chất keo tụ từ bùn đỏ trong việc xử lý một số chỉ tiêu cơ bản đối với nước thải sông Tô Lịch cho kết quả: hiệu quả xử lý đạt 94,5% với độ đục, 77,9% với COD và 88,5% với PO43-. Đối với mẫu nước thải tại xưởng sản xuất thực nghiệm - Viện hóa học cơng nghiệp thì cho kết quả: độ đục hiệu quả xử lý trên 94,5%, 76,5% với COD và 62,6% với PO43-. So sánh với các chất keo tụ PAC, phèn nhơm, phèn sắt thì chất keo tụ từ BĐ Al – Fe cho hiệu quả xử lý bằng hoặc cao hơn.
KIẾN NGHỊ
Tiếp tục nghiên cứu ở quy mơ lớn hơn để có thể ứng dụng vào trong thực tế. Nghiên cứu phần bã sau khi chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe để làm bột màu hoặc chất hấp phụ để không tạo ra chất thải thứ phát.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt
1. Vũ Ngọc Ban (2007), Giáo trình thực tập hóa lý - Điều chế các hệ keo và khảo
sát một số tính chất của chúng, NXB Đại học quốc gia Hà Nội.
2. Nguyễn Bin (2008), Các q trình, thiết bị trong cơng nghệ hóa chất và thực
phẩm tập 4 - NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
3. Phạm Đăng Địch, PGS. TS Lê Xuân Khuông, TS Lê Gia Mô, KS Dương Thanh Sủng (3/2003), Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu công nghệ tiên tiến
sản xuất alumin từ quặng tinh bôxit Tân Rai - Lâm Đồng và điện phân nhôm đạt chất lượng thương phẩm.
4. Lưu Đức Hải (2014), Báo cáo đề tài: Nghiên cứu khả năng chế tạo vật liệu xây
dựng từ bùn đỏ phát sinh trong công nghệ sản xuất alumin ở Tây Nguyên, Đại
học quốc gia Hà Nội.
5. Nguyễn Quốc Khánh (2009), “Phục hồi môi trường sau khai thác quặng bauxit và chế biến alumin”, Tạp chí Cơng nghệ mỏ, Số 5, tr 46 – 48.
6. Đỗ Quang Minh (2009), “Xi măng từ bùn đỏ”, Tạp chí Vật liệu xây dựng Việt
Nam, Tập 1, số 25, tr 40 – 44.
7. Nguyễn Trung Minh (2011), “Hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ bauxit Bảo Lộc và định hướng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải”, Tạp chí Các khoa học về
trái đất, Số 33(2), tr 231 - 237.
8. Nguyễn Cảnh Nhã (2007), “Một số kết quả nghiên cứu công nghệ tuyển quặng bauxit”, Tạp chí Cơng nghệ Mỏ, Số 5, tr 18 -21.
9. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2009), Giáo trình cơng nghệ xử lý nước thải,
10. Quy hoach phân vùng thăm dò , khai thác, chế biến sử dung quăng bauxit giai đoan ̣ 2007-2015 có xét đến năm 2025 (2007), Quyết đinh phê duyêṭ của Thủ tướng chính phủ số 167/2007/QĐ-TTg.
11. Nguyễn Thị Thu Thủy (2006), Xử lý nước cấp sinh hoạt và công nghiệp, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
12. Nguyễn Văn Tiến, Lê Thị Mai Hương, Nguyễn Bích Thủy (2014), “Nghiên cứu khả năng chế tạo chất keo tụ và chất hấp phụ từ bùn đỏ Tây Ngun theo quy trình khép kín và đánh giá khả năng ứng dụng của sản phẩm”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 52 (2B), tr 99 – 105.
13. Nguyễn Khắc Vinh (2009), “Tài nguyên Bauxit trên Thế giới và Việt Nam”,
Tạp chí tài ngun và mơi trường, số 7, tr. 49 – 51.
14. Pham Gia Vu, Trinh Anh Trúc, Tô Thị Xuân Hằng, Nguyễn Thị Dương, Nguyễn Vũ Giang (2012), “Nghiên cứu sử dụng bùn đỏ như bột màu trong sơn bảo vệ chống ăn mịn”, Tạp chí Hóa học, T.50(6), tr. 717 – 720.
Tiếng Anh
15. A. H. Bhat, A. K. Banthia (2007), “Preparation and characterization of poly (vinyl alcohol) - modified red mud composite materials”, Joumal of Applied Polymer Science, 103(1), pp. 238 – 243.
16. A. H. Bhat, H. r. S. Abdul Khalil, Irshad-ul-Haq Bhal, A. K. Banthia (2011), “Development and Characterization of Novel Modified Red Mud Nanocomposiles Based on Polyfhydroxy ether of Bisphenol A”, Joumal of Applied Polymer Science, 119, pp. 515 – 522.
17. United Nations Industrial Development Organization (1991), Alumina Industry: Conference on Ecologically Sustainable Industrial Development, Copenhagen,
18. Batra V. S., Urbonaite S., Svensson G. (2008), “Characterization of unburned carbon in bagasse fly ash”, Fuel 87, pp. 2972 – 2976.
19. Brunori C., Cremisini C., Massanisso P., Pinto V., Torricelli L. (2005), “Reuse of a treated red mud bauxite waste: studies on environmental compatibility”,
Journal of Hazardous Materials, pp. 55 – 63.
20. Cablik V. (2007), “Characterization and applications of red mud from bauxite processin”, Gospodarka surowcami mineralnymi, 23 (4), pp. 27 – 38.
21. C. Klauber, M. Gräfe, G. Power (2011), Bauxite residue issues: II. options
for residue utilization, Hydrometallurgy, 108, pp. 11 – 32.
22. Fan, H.L., Li, C.H., Xie, K.C., (2005), “Testing of iron oxide sorbent for high- temperature coal gas desulfurization”, Energy Sour, 27, pp. 245 – 250.
23. J. Bratby (2006), Coagulation and Flocculation in Water and Wastewater Treatment, 2nd Edition, IWA Publisher, London