3.3.1. Bùn đỏ trung hòa kiềm (TRMA).
3.3.1.1. Khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của TRMA ở các nhiệt độ nung khác nhau.
Cách tiến hành: Lấy 1g vật liệu cần khảo sát cho vào thể tích 100ml dung dịch Amoni C0=10ppm, pH=7 rồi lắc trong các khoảng thời gian 30 phút đến 180 phút. Đem lọc qua giấy lọc băng xanh và xác định nồng độ Amoni sau hấp phụ bằng phương pháp so màu với thuốc thử Nessler.
Bảng 3.8: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của TRMA.
Thấp phụ (phút)
TRMA 150 TRMA 350 TRMA 500
Ce (ppm) qe (mg/g) Ce (ppm) qe (mg/g) Ce (ppm) qe (mg/g) 30 9,65 0,035 9,16 0,085 8,65 0,135 60 9,39 0,062 8,99 0,101 8,28 0,172 90 9,14 0,086 8,68 0,132 8,04 0,196 120 8,95 0,105 8,47 0,153 7,88 0,212 150 8,99 0,101 8,48 0,152 7,96 0,204 Thấp phụ (phút)
TRMA 600 TRMA 700 TRMA 800
Ce (ppm) qe (mg/g) Ce (ppm) qe (mg/g) Ce (ppm) qe (mg/g) 30 7,07 0,293 8,27 0,173 9,70 0,030 60 6,53 0,347 8,03 0,197 9,52 0,048 90 6,24 0,376 7,78 0,222 9,38 0,062 120 6,07 0,393 7,66 0,234 9,27 0,073 150 6,18 0,382 7,69 0,231 9,29 0,071
Kết quả thu được cho thấy TRMA 600 cho khả năng hấp phụ Amoni cao nhất, tải trọng hấp phụ đạt 0,393mg/g và thời gian cân bằng hấp phụ là 120 phút. Do đó trong các khảo sát tiếp theo đối với vật liệu TRMA ta chỉ tiến hành trên vật liệu TRMA 600.
3.3.1.2. Thành phần khống học của vật liệu TRMA 600.
Hình 3.11: Giản đồ XRD của vật liệu TRMA 600.
Từ hình 3.11, ta thấy q trình biến tính nhiệt khiến thành phần chính trong bùn đỏ thô là Al(OH)3 và FeO(OH) bị mất nước và chuyển thành dạng oxit. Đối với goethite FeO(OH) chuyển về dạng hematite Fe2O3 còn gibbsite Al(OH)3 chuyển sang dạng vơ định hình.
3.3.1.3. Phân tích bề mặt vật liệu TRMA 600.
Kết quả hình ảnh bề mặt vật liệu TRMA 600 qua kính hiển vi điện tử trên hình 3.12 cho thấy vật liệu bùn đỏ sau khi được trung hịa bằng axit và nung ở 6000C có nhiều hạt kích thước nhỏ, bề mặt vật liệu xốp, các khối kết tụ thành các hạt xen lẫn vào nhau. Chính cấu trúc hạt và dạng xốp tạo điều kiện thuận lợi hình thành các trung tâm, mầm hấp phụ của mẫu bùn đỏ sau khi được biến tính.
Hình 3.12: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMA 600.
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample RMA-600C-4h
00-002-0919 (D) - Hematite - Fe2O3 - Y: 82.39 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 5.02400 - b 5.02400 - c 13.71800 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c (167) - 2 - File: Thom mau RMA-600C-4h.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 14 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi
Li n (C ps) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 2-Theta - Scale 10 20 30 40 50 60 70 d= 2. 68 7 d= 2. 50 4 d= 2. 18 8 d= 1. 83 4 d= 1. 68 2 d= 1. 44 9 d= 3. 66 6 d= 2. 12 4
3.3.1.4. Xác định pHpzc của vật liệu TRMA 600.
Kết quả xác định giá trị pH tại điểm đẳng điện của vật liệu TRMA 600 được biểu diễn trong Bảng 3.9 và hình 3.13.
Bảng 3.9: Kết quả xác định pHpzc của vật liệu TRMA 600
pH 2,61 3,97 6.95 9.58 11.63
pHf 7,94 8,15 8.29 8.25 9.19
ΔpH 5,3 4,18 1.34 -1.33 -2.44
Hình 3.13: Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu TRMA 600.
Từ đồ thị ta thấy vật liệu TRMA 600 có giá trị pHpzc=8,1. Giá trị pHpzc=8,1 cho ta biết trong điều kiện thí nghiệm cụ thể bề mặt vật liệu TRMA 600 mang điên tích âm hay dương, nếu tiến hành thí nghiệm khảo sát vật liệu này ở mơi trường pH< 8,1 thì bề mặt vật liệu TRMA 600 mang điện tích dương, ngược lại ở mơi trường pH>8,1 bề mặt vật liệu mang điện tích âm. Điều kiện tiến hành thực nghiệm ở pH=7 do đó bề mặt vật liệu mang điện tích dương gây khó khăn cho q trình hấp phụ Amoni trong dung dịch khảo sát.
3.2.1.5. Tải trọng hấp phụ Amoni theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.
Kết quả khảo sát (bảng 3.10) đối với vật liệu TRMA 600 cho thấy, nếu biểu diễn quá trình hấp phụ theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir (hình 3.14) thì khá phù hợp (giá trị R2 của đường thẳng Ce/qe theo Ce là 0,9537). Do vậy có thể thấy rằng, mặc dù thành phần và bề mặt của vật liệu rất phức tạp nhưng quá trình hấp phụ theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir chiếm ưu thế và giá trị qmax tính theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ này là 2,575 mg/g.
Bảng 3.10: Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMA 600.
C0(mg/l) Ce(mg/l) qe(mg/g) Ce/qe
10 6,07 0,393 15,45
50 30,6 1,940 15,77
100 74,6 2,54 29,37
150 130,08 1,992 65,30
200 176,69 2,331 75,80
Hình 3.14: Phương trình tuyến tính Langmuir của vật liệu TRMA 600.
Dựa vào đồ thị ta thấy phương trình langmuir có dạng: y = 0,3883x + 8,7318 với R2=0,9537.
Qua đó ta có thể xác định được tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu TRMA 600 đối với amoni là:
max
1
2, 575( / )
0, 3883
3.3.2. Bùn đỏ rửa nước đến pH=7 (TRMW).
3.3.2.1. Khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của TRMW ở các nhiệt độ nung khác nhau.
Bảng 3.11: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của TRMW
Thấp phụ (phút) TRMW 150 TRMW 350 TRMW 500 Ce (ppm) qe (mg/g) Ce (ppm) qe (mg/g) Ce (ppm) qe (mg/g) 30 9,42 0,058 8,91 0,109 8,22 0,178 60 9,24 0,076 8,71 0,129 7,91 0,209 90 9,01 0,099 8,57 0,143 7,69 0,231 120 8,79 0,121 8,24 0,176 7,56 0,243 150 8,87 0,113 8,31 0,170 7,59 0,240 Thấp phụ (phút) TRMW 600 TRMW 700 TRMW 800 Ce (ppm) qe (mg/g) Ce (ppm) qe (mg/g) Ce (ppm) qe (mg/g) 30 6,28 0,372 8,11 0,189 9,41 0,059 60 5,95 0,405 7,73 0,227 9,13 0,087 90 5,67 0,433 7,41 0,259 8,98 0,103 120 5,46 0,454 7,27 0,273 8,76 0,123 150 5,51 0,449 7,31 0,269 8,81 0,120
Kết quả thu được cho thấy TRMW 600 cho khả năng hấp phụ Amoni cao nhất, tải trọng hấp phụ đạt 0,454mg/g và thời gian cân bằng hấp phụ là 120 phút. Do đó trong các khảo sát tiếp theo đối với vật liệu TRMW ta chỉ tiến hành trên vật liệu TRMW 600.
3.3.2..2. Thành phần khoáng học của vật liệu TRMW 600.
Hình 3.15: Giản đồ XRD của vật liệu TRMW 600.
Quá trình biến tính nhiệt khiến thành phần chính trong bùn đỏ thơ là Al(OH)3 và FeO(OH) bị mất nước và chuyển thành dạng oxit. Đối với goethite FeO(OH) chuyển về dạng hematite Fe2O3, còn gibbsite Al(OH)3 chuyển sang dạng vơ định hình.
3.3.2.3. Phân tích bề mặt vật liệu TRMW 600.
Kết quả hình ảnh bề mặt vật liệu TRMW 600 qua kính hiển vi điện tử trên hình 3.16 cho thấy vật liệu bùn đỏ sau khi được rửa nước về pH=7 và nung ở 6000C có nhiều hạt kích thước nhỏ, bề mặt vật liệu xốp, các khối kết tụ thành các hạt xen lẫn vào nhau. So với mẫu vật liệu TRMA 600 thì TRMW 600 có bề mặt xốp hơn, các khối hạt co cụm nhiều hơn nên ta có dự đốn vật liệu TRMW 600 sẽ cho hiệu suất hấp phụ Amoni cao hơn.
3.3.2.4. Xác định pHpzc của vật liệu TRMW 600.
Kết quả xác định giá trị pH tại điểm đẳng điện của vật liệu TRMW 600 được biểu diễn trong Bảng 3.12 và hình 3.17.
Bảng 3.12: Kết quả xác định pHpzc của vật liệu TRMW 600
pH 2,78 3,92 6,88 8,42 10,81 11,30
pHf 8,02 8,06 8,13 8,13 8,38 8,51
ΔpH 5,24 4,14 1,25 -0,29 -2,43 -2,79
Hình 3.17: Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu TRMW 600.
Từ đồ thị hình 3.17 ta thấy vật liệu TRMW 600 có giá trị pHpzc=8,2. Giá trị pHpzc =8,2 cho biết trong điều kiện thí nghiệm cụ thể bề mặt vật liệu mang điên tích âm hay dương, nếu tiến hành thí nghiệm khảo sát vật liệu này ở mơi trường pH< 8,2 thì bề mặt vật liệu mang điện tích dương, ngược lại pH> 8,2 bề mặt vật liệu mang điện tích âm. Điều kiện tiến hành thực nghiệm ở pH=7 do đó bề mặt vật liệu mang điện tích dương gây khó khăn cho quá trình hấp phụ Amoni trong dung dịch khảo sát.
3.3.2.5. Tải trọng hấp phụ Amoni theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.
Kết quả khảo sát (bảng 3.13) đối với vật liệu TRMW 600 cho thấy, nếu biểu diễn quá trình hấp phụ theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir (hình 3.18) thì khá phù hợp (giá trị R2 của đường thẳng Ce/qe theo Ce là 0,933). Do vậy có thể thấy rằng, mặc dù thành phần và bề mặt của vật liệu rất phức tạp nhưng quá trình hấp phụ theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir chiếm ưu thế và giá trị qmax tính theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ này là 6,25 mg/g.
Bảng 3.13: Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMW 600
C0(ppm) Ce(ppm) qe(mg/g) Ce/qe
10 5,46 0,454 12,03
50 34,45 1,555 22,15
100 73,22 2,678 27,34
150 121,33 2,867 42,32
200 161,31 3,869 41,69
Hình 3.18: Phương trình tuyến tính Langmuir của vật liệu TRMW 600 .
Phương trình tuyến tính Langmuir:
y = 0,16x + 14,309 với chỉ số chính xác R2=0,933.
Qua đó ta có thể xác định được tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu TRMW 600 đối với amoni là:
max
1
6, 25( / )
0,16
KẾT LUẬN
Trong quá trình thực hiện luận văn nghiên cứu sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xử lý các ion độc hại trong nước, chúng tôi thu được một số kết quả chính sau:
1. Chế tạo được vật liệu hấp phụ từ bùn đỏ thô – sản phẩm thải của q trình sản xuất nhơm từ quặng bauxite.
2. Đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá đặc tính của vật liệu thơng qua các phương pháp như: SEM, X-Ray, xác định giá trị pHpzc.
3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Asen của các vật liệu cho thấy vật liệu TRMW 350 có tải trọng hấp phụ cao nhất với qmax= 16,13mg/g.
5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Amoni của các vật liệu cho thấy vật liệu TRMW 600 có tải trọng hấp phụ cao nhất với qmax=6,25mg/g.
5. Các số liệu kết quả thực nghiệm thu được đều được mô tả tốt bằng mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.
Các kết quả trên đã chứng minh khả năng nghiên cứu sử dụng bùn đỏ làm nguyên liệu chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý các ion độc hại có trong nước là hồn toàn khả quan.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Lương Văn Anh (2013), “Xử lý Amoni trong nước ngầm bằng bể lọc sinh học cần được ứng dụng, mở rộng cho hệ cấp nước ở nông thôn”, Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường, 43, tr. 43-47.
2. Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kĩ thuật xử lí nước và nước thải, NXB Thống kê, Hà Nội.
3. Vũ Đăng Độ (1999), Hóa học và sự ơ nhiễm môi trường, NXB Giáo dục,
Hà Nội.
4. Trần Tứ Hiếu, Lâm Ngọc Thụ (2000), Phân tích định tính, NXB Đại học
Quốc gia Hà Nội.
5. Trịnh Lê Hùng (2006), Kỹ thuật xử lý nước thải, NXB Giáo dục, Hà Nội.
6. Đỗ Ngọc Khê, Tô Văn Thiệp, Nguyễn Văn Hồng, Đỗ Bình Minh (2007), “Nghiên cứu đặc điểm đường đẳng nhiệt hấp phụ nitroglyxerin từ pha lỏng bằng một số loại than hoạt tính”, Tạp chí Hóa Học, 45(5), tr.
619-623.
7. Vũ Đức Lợi, Châu Văn Minh, Nguyễn Văn Tuyến, Dương Tuấn Hưng, Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Văn Lạng (2014), “Kết quả nghiên cứu thử nghiệm quy mô công nghiệp công nghệ sản xuất thép từ bùn đỏ”, Hội thảo quốc tế Hợp tác khoa học cơng nghệ vì sự phát triển bền vững nông nghiệp Lâm Đồng-Tây Nguyên 2014, tr. 340-345.
8. Nguyễn Trung Minh (2011), “Hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ Bauxite Bảo Lộc và định hướng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải”, Tạp chí Các khoa học về Trái đất, 33, tr. 231-237.
9. Hoàng Nhâm (2003), Hóa vô cơ Tập 2, NXB Giáo dục, Hà Nội.
10. Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế (1998), Hóa lí Tập 2, NXB Giáo dục, Hải Phòng.
Tiếng Anh
11. A.Dapena-Mora, I.Fernández, J.L.Campos, A.Mosquera-Corral, R.Méndez, M.S.M.Jetten (2007), “Evaluation of activity and inhibition effecrs on Anammox process by batch tests based on the nitrogen gas production”,
12. Christian Fux, Marc Boehler, Philipp Huber, Irene Brunner, Hansruedi Siegrist (2002), “Biological treatment of ammonium-rich wastewater by partial nitritation and subsequent anaerobic ammonium oxidation (anammox) in a pilot plant”, Journal of Biotechnology, 99, pp. 295-306. 13. Dion E.Gile, Mamata Mohapatra, Touma B.Issa, Shashi Anand, Pritam
Singh (2011), “Iron and aluminium based adsorption strategies for removing arsenic from water”, Journal of Environmental Management,
92, pp. 3011-3022.
14. Eid I.Brima, Parvez I.Haris, Richard O.Jenkins, Dave A.Polya, Andrew G.Gault, Chris F.Harrington (2006), “Understanding arsenic metabolism through a comparative study of arsenic levels in the urine, hair and fingernails of healthy volunteers from three unexposed ethnic groups in the United Kingdom”, Toxicology and Applied Pharmacology, 216, pp. 122 - 130.
15. Ernest O. Kartinen Jr, Christopher J. Martin (1995), “An overview of arsenic removal processes”, Desalination, 103, pp. 79-88.
16. Gupta V.K, Ali I, Saini V.K (2004), “Removal of chlorophenols from wastewater using red mud: an aluminum industry waste”, Environmental
Science and Technology, 38(14), pp. 4012-4018.
17. H.Soner Altundoğan, Sema Altundoğan, Fikret Tümen, Memnune Bildik (2000), “Arsenic removal from aqueous solutions by adsorption on red mud”, Waste Management, 20, pp. 761–767.
18. H.Soner Altundoğan, Sema Altundoğan, Fikret Tümen, Memnune Bildik (2002), “Arsenic adsorption from aqueous solutions by activated red mud”, Waste Management, 22, pp. 357-363.
19. Ilker Akin, Gulsin Arslan, Ali Tor, Mustafa Ersoz, Yunus Cengeloglu (2012), “Asenic (V) removal from underground water by magnetic nanoparticles synthesized fromwaste red mud”, Journal of Hazardous Materials, 235, pp. 62-68.
20. Marek Kosmulski (2002), “The pH-Dependent Surface Charging and the Points of Zero Charge”, Journal of Colloid and Interface Science, 253,
pp. 77-87.
21. Marek Kosmulski (2004), “The pH-Dependent Surface Charging and the Points of Zero Charge II update”, Journal of Colloid and Interface Science, 275, pp. 214-224.
22. Marek Kosmulski (2006), “The pH-Dependent Surface Charging and the Points of Zero Charge III update”, Journal of Colloid and Interface Science, 298, pp. 730-741.
23. P.E.Tsakiridis, S.Agatzini-Leonardou, P.Oustadakis (2004), “Red mud addition in the raw meal for the production of Portland cement clinker”,
Journal of Hazardous Materials, 116, pp. 103-110.
24. P.Vassileva, P.Tzvetkova, R.Nickolov (2009), “Removal of ammonium ions from aqueous solutions with coal-based activated carbons modified by oxidation”, Fuel, 88, pp. 387-390.
25. Paola Castaldi, Margherita Silvetti, Stefano Enzo, Pietro Melis (2010), “Study of sorption processes and FT-IR analysis of arsenate sorbed onto red muds (a bauxite ore processing waste)”, Journal of Hazardous Materials, 175, pp. 172-178.
26. Paola Castaldi, Margherita Silvetti, Giovanni Garau, Salvatore Deiana (2010), “Influence of the pH on the accumulation of phosphate by red mud (a bauxite ore processing waste)”, Journal of Hazardous Materials, 182, pp. 266-272.
27. Resat Apak, Kulibay Guclu, Mehmet Hulusi Junrgat (1998), “Modelling of Copper (II), Cadmium (II) and Lead (II) adsorption on Red mud”,
Journal of Colloid and Interface Science, 203, pp. 122-130.
28. Tage Dalsgaard, Bo Thamdrup, Donald E. Canfield (2005), “Anaerobic ammonium oxidation (anammox) in the marine environment”, Research
in Microbiology, 156, pp. 457-464.
29. Yong Liu, Chuxia Lin, Yonggui Wu (2007), “Characterization of red mud derived from a combined Bayer Process and bauxite calcination method”, Journal of Hazardous Materials, 146, pp. 255-261.
30. Yunus Cengeloglu, Ali Tor, Mustafa Ersoz, Gulsin Arslan (2006), “Removal of nitrate from aqueous solution by using red mud”, Separation and Purification Technology, 51, pp. 374-378.
31. Zhu Liang, Junxin Liu (2008), “Landfill leachate treatment with a novel process: Anaerobic ammonium oxidation (Anammox) combined with soil infiltration system”, Journal of Hazardous Materials, 151, pp. 202- 212.