Nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý asen trong nước từ bùn đỏ

Nội dung text: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý asen trong nước từ bùn đỏ

1. Tp chí Khoa h c HQGHN: Các Khoa h c Trái t và Môi tr ng, Tp 32, S 1S (2016) 370-376 Nghiên c u ch t o v t li u x lý asen trong n c t bùn Ph m Th Thúy*, Nguy n Th Thanh Mai, Nguy n M nh Kh i Khoa Môi tr ng, Tr ng i h c Khoa h c T nhiên, HQGHN, 334 Nguy n Trãi, Hà N i, Vi t Nam Nh n ngày 15 tháng 6 n m 2016 Ch nh s a ngày 20 tháng 8 n m 2016; Ch p nh n ng ngày 06 tháng 9 n m 2016 Tóm t t: Nghiên c u ch t o v t li u x lý asen d ng viên t ph th i bùn t các nhà máy s n xu t qu ng nhôm ng d ng x lý asen trong n c c p. Bùn c ph i tr n v i các ch t k t dính nh laterit, silicagel và theo t l khác nhau t o thành các v t li u d ng viên RS-5, RS-10, RS-15 và TC-20. V t li u TC-20 có kh n ng h p ph asen t t nh t và c ch n ti p t c ti n hành các thí nghi m theo m nghiên c u các y u t nh h ng n quá trình h p ph asen c a vt li u TC-20. K t qu nghiên c u kh n ng h p ph c a v t li u TC-20 cho th y kho ng pH t i u là 3,5 - 7, th i gian t cân b ng h p ph ngay t 10 phút u tiên. ng h c c a quá trình h p ph c a v t li u tuân theo ph ơ ng trình ng nhi t Langmuir v i dung l ng h p ph c c i c a vt li u TC-20 bi n tính t 8,38 (mg/g). T khóa: Bùn , h p ph asen, v t li u h p ph . 1. M u* trong và ngoài n c ã ch ra các khoáng v t ch a s t có kh n ng h p ph t t asen trong Vn ô nhi m asen trong n c c p c nc; nh zeolite [2], bentonite [5], laterit [6-8] quan tâm b i s ti m n nguy c ơ r i ro c a bùn [9] vi hi u su t cao. chúng i v i s c kh e con ng i. Phn l n s Bùn là ch t th i c a quá trình s n xu t nhi m c asen thông qua vi c s d ng ngu n nhôm t qu ng bauxit theo ph ơ ng pháp Bayer. nc, th c ph m nh ng vùng t, không khí Do tính ki m cao và l ng bùn th i l n, do ó nhi m asen. Các tri u ch ng c a nhi m c bùn s là tác nhân gây ô nhi m môi tr ng asen bao g m s thay i màu da, hình thành nghiêm tr ng n u không c qu n lý t t [10]. các v t c ng trên da, ung th da, ung th ph i, Tuy v y, bùn c ng ch a nh ng thành ph n ung th th n và bàng quang [1]. có l i có kh n ng k t h p v i asen, phosphat Hi n nay ã có nhi u công trình và d án trong n c [10]. Vi c s d ng nguyên li u có nghiên c u s d ng các ph ơ ng pháp x lý giá thành th p, c bi t t n d ng ch t th i, phù asen nh ph ơ ng pháp h p ph [2], ph ơ ng hp v i iu ki n Vi t Nam nh bùn ang pháp trao i ion [3], ph ơ ng pháp sinh h c c các nhà khoa h c quan tâm hi n nay. [4] . Trong ó ph ơ ng pháp h p ph có nhi u Nghiên c u này nh m m c tìm hi u kh n ng u vi t h ơn b i tính kinh t , tính hi u qu , thao x lý asen c a v t li u d ng viên c t ng h p tác ơ n gi n và d th c hi n. Nhi u nghiên c u t thành ph n bùn ph i k t h p v i latterite ___ và silicagel ng d ng x lý asen trong môi * Tác gi liên h . T.: 84-982888499 tr ng n c. Email: phamthithuy@hus.edu.vn 370
2. P.T. y nnk. / Tp chí Khoa h c HQGHN: Các Khoa h c Trái t và Môi tr ng, T p 32, S 1S (2016) 370-376 371 Bng 1. T l ph i tr n v t li u (% theo kh i l ng) ca h c iu ch nh b ng cách thêm vào lng HNO 0,02N ho c NaOH 0,02N vào các Ký hi u v t 3 Bùn Laterit Silicagel h t c dung d ch có kho ng pH t 3.5 - li u RS-5 47,5 47,5 5 7. Các m u sau kho ng th i gian cân b ng c RS-10 45,0 45,0 10 xác nh hàm l ng asen còn l i trong dung RS-15 42,5 42,5 15 dch và pH t i th i im cân b ng. K t qu TC-20 40,0 40,0 20 c bi u di n trong hình 1. Vt li u thô 40,0 40,0 20 Nghiên c u ng nhi t h p ph : ng h p (không nung) ph ng nhi t c a quá trình h p ph asen b ng Ghi chú: các m u u c t o x p v i t l t vt li u ch t o c xác nh d a trên thí 10% nghi m h p ph m . Các thí nghi m h p ph c th c hi n trong bình th tích 100ml v i 1g vt li u ch t o. Thí nghi m c ti n hành 2. i t ng và ph ơ ng pháp nghiên c u các n ng asen (V) ban u khác nhau và 2.1. i t ng nghiên cu th i gian và pH khác nhau. Nng asen ban u là 30, 50, 100, 150, 200 mg/L l n l t c Bùn s d ng trong nghiên c u c t n cho vào bình 100ml, và c l c v i t c 150 thu t ph th i c a nhà máy s n xu t alumin vòng/phút trong 10, 30, 60, 90, 120, 150 và 180 Tân Rai. Laterit c l y t S ơn Tây, thành ph phút t i iu ki n nhi t phòng. Sau các Hà N i. kho ng th i gian trên, các m u c l c tr c khi phân tích hàm l ng asen còn l i trong 2.2. Ph ơ ng pháp nghiên c u dung d ch. Các thí nghi m c l p l i ba l n. Dung l ng h p ph asen c a v t li u (q, mg/g) Ch t o v t li u: Bùn và laterit c s ơ c tính d a trên cân b ng kh i l ng theo ch b ng cách nghi n nh và qua rây 0,5 mm, công th c: sau ó gia nhi t nhi t 400 oC trong 4 gi , kho ng nhi t c ch n phù h p v i nhi t bi n tính v t li u g c s t x lý asen trong môi tr ng n c [11]. Bùn và laterit sau Trong ó, Co và Ce là n ng tr c và sau nung, silicagel và ch t ph gia c ph i tr n quá trình h p ph (mg/L); V là th tích c a cùng v i n c c t theo t l b ng 1, h n h p dung d ch (L); W là kh i l ng v t li u a vào này c ép viên v i d=1cm, và gia nhi t hp ph (mg); q (mg/g) là dung l ng h p ph nhi t 400 oC t o thành các v t li u RS-5, ti th i im t. Kt qu c l y trung bình k t RS-10, RS-15 và TC-20 trong kho ng th i gian qu c a ba l n l p l i thí nghi m v i t ng m u. nh ã nêu trên. ơ Các ph ng pháp phân tích: C u trúc pha 3. Kt qu nghiên c u và th o lu n ca v t li u c xác nh b ng ph ơ ng pháp nhi u x X-Ray t i Khoa V t lý – i h c 3.1. nh h ng c a pH n kh n ng h p ph Khoa h c T nhiên. N ng asen tr c và sau asen c a các v t li u ch t o hp ph c xác nh theo ph ơ ng pháp quang ph h p th nguyên t (AAS). nh h ng c a pH n kh n ng h p ph Nghiên c u nh h ng c a pH n kh asen c a các v t li u ch t o c th hi n hình 1. K t qu trên hình 1 cho th y m u TC-20 nng h p ph : Thí nghi m c ti n hành trên có kh n ng h p ph asen t t nht trong 4 m u các m u v t li u ã c t ng h p v i dung vt li u ch t o. Kho ng pH t i u các v t dch ch a asen ban u 10 mg/L. T l v t li u li u ã c ch t o h p ph asen t t t t 3,5 - hp ph và dung d ch (m/V) t ơ ng ng v i 1:20 7. pH càng t ng (pH > 7,5) thì kh n ng h p (mg:mL), n ng asen ban u 10 mg/L. pH
3. 372 P.T. y nnk. / Tp chí Khoa h c HQGHN: Các Khoa h c Trái t và Môi tr ng, T p 32, S 1S (2016) 370-376 ph c a c 4 v t li u u gi m. pH t i u khi th y c u trúc pha c a v t li u thay i rõ r t sau cân b ng c a m u TC-20 là 6,38, có hi u su t khi bi n tính 400 oC. Tín hi u pick c a hp ph cao nh t t 99,84% v i dung l ng Hematite t ng m nh và tín hi u pick c a d ng hp ph t cao nh t 0,0629 mg/g. Vì v y, v t Goethite, Gibbsite gi m ho c không còn xu t li u TC-20 c ch n kh o sát trong các thí hi n m u v t li u TC-20. S thay i này nghi m ti p theo. c lý gi i là do x y ra ph n ng nhi t phân khi t ng nhi t lên 400 oC, khi ó có s 3.2. Cu trúc pha v t li u chuy n d ch pha t d ng FeO(OH) v d ng Fe 2O3. Ph nhi u x tia X c a v t li u sau khi Ph nhi u x tia X c a m u bùn thô, bi n tính cho ít pick h ơn nhi u so v i m u bùn laterit thô và v t li u TC-20 c th hi n thô và m u laterite thô, nh v y s có r t ít hình 2. Theo k t qu ch p nhi u x tia X c a các ion gây nh h ng n quá trình h p ph mu bùn thô (hình 2a) cho th y m u ch a ca v t li u. iu này ch ng t v t li u TC-20 các khoáng v t có tín hi u pick rõ ràng nh t có ch a thêm nhi u s t và có kh n ng h p ph nh Gibbsite (Al(OH) 3) cao nh t v i d = 4,818; asen t t. Hematite (Fe 2O3) v i d = 2,6975 và Goethite (FeO(OH)) v i d = 4,151. Trong thành ph n ca bùn thô ch a các thành ph n khá a dng và có ch a các tinh th có ch a s t là iu ki n thu n l i t o ra các v t li u h p ph asen t t. M u laterit thô (hình 2b) có ch a hàm lng Quartz (SiO 2) l n v i d = 3,339, ngoài ra còn ch a các khoáng v t ch a s t nh : Goethite (FeO(OH)) v i d = 4,246 và Hematite (Fe 2O3) vi d = 1,4518. Trong thành ph n c a laterite thô c ng có ch a các khoáng v t ch a s t nh bùn thô, ngoài ra còn ch a m t l ng l n SiO . K t qu phân tích và ánh giá m c 2 Hình 1. nh h ng c a pH n kh n ng h p ph ho t hóa c a m u v t li u TC-20 (hình 2c) cho asen c a 4 v t li u ch t o. (a) FeO(OH) Al(OH) 3 Fe 2O3
4. P.T. y nnk. / Tp chí Khoa h c HQGHN: Các Khoa h c Trái t và Môi tr ng, T p 32, S 1S (2016) 370-376 373 (b) SiO 2 FeO(OH) Fe 2O3 (c) SiO 2 Fe 2O3 FeO(OH) Hình 2. Ph nhi u x tia X c a: (a) bùn thô, (b) laterit thô, (c) v t li u TC-20. 3.3. nh h ng c a th i gian n kh nng h p ph Vt li u thô là m u c tr n cùng t l % bùn : laterit: silicagel là 40:40:20, r i ép viên, sau ó b o qu n trong h p kín, nhi t phòng (25 o C). nh h ng c a th i gian n kh n ng h p ph asen c a v t li u thô và TC- 20 c th hi n hình 3. K t qu cho th y th i gian t cân b ng h p ph c a c v t li u thô và TC-20 là ngay t 10 phút u tiên. V t li u TC-20 có kh n ng h p ph theo th i gian Hình 3. nh h ng c a th i gian n kh n ng h p tt h ơn h n v t li u thô. T i 10 phút u, hi u ph asen c a v t li u thô và TC-20.
5. 374 P.T. y nnk. / Tp chí Khoa h c HQGHN: Các Khoa h c Trái t và Môi tr ng, T p 32, S 1S (2016) 370-376 su t h p ph c a v t li u TC-20 t 98,89% mt d i n ng , hi u su t h p ph gi m d n. trong khi hi u su t h p ph c a m u thô ch t Nng asen (V) ban u t 10 - 30 mg/l, kh 89,72%. nng h p ph c a v t li u thô và TC-20 là nh nhau. Khi t ng n ng ban u (Co > 30 mg/l), kh n ng h p ph c a m u bi n tính và m u thô có s khác bi t rõ r t. N ng asen ban u t 30 - 150 mg/l, hi u su t h p ph c a m u thô tng lên, nh ng v n th p h ơn m u bi n tính. Khi n ng ban u ti p t c t ng (Co > 150 mg/l), thì kh n ng h p ph c a v t li u n nh và g n nh không thay i. Nh v y, i v i nh ng ngu n n c ô nhi m asen v i n ng 0,90), ch ng t quá trình khi t ng d n n ng ban u. Tuy nhiên, c hp ph các ion kim lo i trên v t li u là phù 2 m u thí nghi m n n ng kho ng 180 hp h ơn v i ph ơ ng trình Langmuir. M u bi n mg/L thì xu h ng h p ph c a v t li u i v i tính u phù h p v i mô hình Langmuir (vì h asen t m c bão hoà (Hình 4). K t qu t s t ơ ng quan R 2 x p x 1), dung l ng h p ph hình 4 cho th y kh n ng h p ph c a v t li u cc i qmax = 8,38 mg/g. Quá trình h p ph do nh h ng c a n ng ban u v t li u TC- trên m u thô c ng tuân theo mô hình Langmuir 20 có kh n ng h p ph t t h ơn v t li u thô. khi R 2 c ng x p x 1 và dung l ng h p ph Khi n ng asen ban u t ng lên, kh n ng cc i t qmax = 4,6083 mg/g. hp ph c a v t li u t ng d n và n nh trên (a) (b) Hình 5. Ph ơ ng trình h p ph ng nhi t Langmuir (a) và Freundlich (b) d ng tuy n tính quá trình h p ph As(V) c a v t li u thô.
6. P.T. y nnk. / Tp chí Khoa h c HQGHN: Các Khoa h c Trái t và Môi tr ng, T p 32, S 1S (2016) 370-376 375 (a) (b) Hình 6. Ph ơ ng trình h p ph ng nhi t Langmuir (a) và Freundlich (b) d ng tuy n tính quá trình h p ph As(V) c a v t li u TC-20. Bng 2. Các thông s trong mô hình h p ph ng nhi t Langmuir và Freundlich Mô hình Langmuir Mô hình Freundlich 2 2 qmax (mg/g) R KL(l/mg) KF (mg/g) R n Vt li u TC-20 8,3822 0,9999 2,6511 4,2238 0,5786 5,4764 Vt li u thô 4,6083 0,9927 0,0981 1,8259 0,7672 6,1881 4. Kt lu n ti quy mô h gia ình t i xã Trung Châu, an Ph ng, Hà N i, T p chí Khoa h c HQGN 27 Vt li u TC-20 v i t l tr n laterit: (2011) 22-29. silicagel là 1:1:0,1 là v t li u phù h p h p [2] K.B. Payne, T.M. Abdel-Fattah, Adsorption of ph asen v i ngu n n c có n ng ô nhi m Arsenate and Arsenite by Iron-Treated Activated asen <150mg/l. Theo k t qu ch p X - ray cho Carbon and Zeolites: Effects of pH, Temperature, and Ionic Strength”, Journal of Environmental th y v t li u TC-20 có có thành ph n khoáng Science and Health 40 (2007) 723-749. st t ng m nh so v i bùn và laterit thô. V t [3] L.Dimple, Adsorption of heavy metals: a review, li u TC-20 h p ph trong kho ng pH t i u t International journal of environmental research 3,5 - 7, th i gian t cân b ng t = 10 phút. Quá and development 4(2014) 41-48. trình h p ph c a v t li u TC-20 tuân theo mô [4] R.D.Sonali, P.K.Jayant, Biological methods for hình Langmuir v i dung l ng h p ph c c i heavy metal removal- A review, International qmax = 8,38 mg/g. Hi u su t h p ph c a v t Journal of Engineering Science and Innovative li u cao nh t t 99,84%. Technology 2(2013) 304-309. [5] Nguy n Th H ng Nga, Nghiên c u kh n ng x lý asen trong n c ô nhi m b ng s n ph m t phong hóa nhi t i, H i ngh khoa h c th ng Li m ơn niên, i h c Th y L i, 2014. Nghiên c u này c tài tr b i Tr ng [6] Nguy n Trung Minh, Nghiên c u ch t o s n ph m h p ph trên c ơ s nguyên li u khoáng t i h c Khoa h c T nhiên trong tài mã s nhiên bazan, á ong, t sét x lý n c th i ô TN.16.23 nhi m kim lo i n ng và asen, tài c p nhà n c, KC02.25/06-10, 2011 [7] ng Kim Loan, Tr n H ng Côn, Lê Anh Trung, Tài li u tham kh o Hoàng Minh Trang, Nghiên c u t ng h p Fe(OH)3 + MnO2/ Laterite làm v t li u h p ph [1] Nguy n M nh Kh i, Nguy n Qu c Vi t, Hoàng lo i b amoni trong môi tr ng n c, T p chí Th Qu nh Trang, Ô nhi m asen trong n c ng m Khoa h c HQGHN 27(2011) 164-169.
7. 376 P.T. y nnk. / Tp chí Khoa h c HQGHN: Các Khoa h c Trái t và Môi tr ng, T p 32, S 1S (2016) 370-376 [8] G.Yoann, M.P.Martin, Removal of arsenic from pháp x lý bùn các nhà máy nhôm khu v c groundwater by adsorption onto an acidified Tây Nguyên”, T p chí Khoa h c HQGHN 27 laterite by-product, Chemical Engineering Journal (2011) 61-67. 2(2013) 565-574. [11] inh Th Hi n, Bùi Ph ơ ng Th o, Hoàng Minh [9] H.Soner Altundogan, Sema Altundogan, Fikret Trang, Tr n V n S ơn, Nguy n M nh Kh i. B c Tumen (2002), “Arsenic adsorption from aqueous u th nghi m ch t o v t li u Bentonit-St x lý solution by activated red mud”, Waste asen trong môi tr ng n c, T p chí Khoa h c Management, (22), p. 357-363. HQGHN, Khoa h c T nhiên và Công ngh , 27 [10] Nguy n M nh Kh i, L u c H i, Tr n V n Quy, (2011), 89-95. Nguy n Xuân Huân, Tr n V n S ơn, ánh giá bi n Production of Adsorbent from Red Mud for the Removal of Arsenic in Aqueous Environment Pham Thi Thuy, Nguyen Thi Thanh Mai, Nguyen Manh Khai Faculty of Environmental Sciences, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Abstract: The study presents the production of adsorbent for the removal of arsenic in aqueous environment from red mud, which was industrial wastes from alumina production plant. Red mud was mixed with agglutinative substances such as laterite, silicagel and difirent proportuons to create pellets adsorbents RS-5, RS-10, RS15 and TC-20. TC-20 showed the best capacity for adsorbing arsenic and to continue the batch study to test the affected factors on removal arsenic in aqueous environment. The optimum pH of TC-20 adsorbent was in range 3.5-7.0. Adsorption isotherm was fitted with Langmuir isotherm with the maximum adsorption capacity reaching 8.38 (mg/g). Keywords: Red mud, arsenic adsorption, adsorbent.