Thạc Sĩ Biến tính bùn đỏ làm chất hấp phụ xử lý nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Hóa Vô cơ
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
NĂM- 2010

MỤC LỤC (Luận văn dài 76 trang)


DANH MỤC HÌNH v
DANH MỤC BẢNG . vii
MỞ ĐẦU . 1


Chương 1. TỔNG QUAN. . . 2


1.1 Chất thải bùn đỏ. . 2
1.1.1 Quy trình Bayer – Nguồn gốc sinh bùn đỏ 2
1.1.2 Thành phần của bùn đỏ. . 3
1.1.3 Hóa học bề mặt của bùn đỏ 6
1.1.4 Các phương pháp xử lý bùn đỏ. . 8
1.1.5 Ứng dụng của bùn đỏ. 9
1.1.6 Bùn đỏ từ nhà máy hóa chất Tân Bình. . 10
1.2 Bùn đỏ trung hòa nước biển. 11
1.2.1 Giới thiệu. 11
1.2.2 Cơ chế phản ứng. . 11
1.2.3 Sự hình thành hydrotalcite. 12
1.2.4 Sự hấp phụ anion trên bề mặt của bùn đỏ trung hòa. 13
1.3 Hydrotalcite. . 14
1.3.1 Giới thiệu Hydrotalcite 14
1.3.2 Đặc điểm của hydrotalcite. 15
1.3.3 Tính trao đổi ion của hydrotalcite. . 16
1.3.4 Các phương pháp điều chế hydrotalcite 16
1.3.5 Ứng dụng. 17
1.4 Thuốc nhuộm hoạt tính và công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm. 18
1.4.1 Thuốc nhuộm hoạt tính (Reactive dyes). . 18
1.4.2 Công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm bằng hydrotalcite. . 20


Chương 2. THỰC NGHIỆM. . 22


2.1 Mục tiêu đề tài. . 22
2.2 Nội dung nghiên cứu. . 22
2.3 Phương pháp nghiên cứu. . 23
2.3.1 Các phương pháp phân tích vật liệu. . 23
2.3.2 Các phương pháp phân tích hóa lý. . 24
2.4 Thiết bị, hóa chất sử dụng khi nghiên cứu. 25
2.4.1 Thiết bị. 25
2.4.2 Hóa chất. 26
2.5 Chuẩn bị bùn đỏ. . 26
2.5.1 Chuẩn bị. 26
2.5.2 Xác định thành phần một số nguyên tố trong các phần của bùn đỏ. . 26
2.6 Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế hydrotalcite từ dung dịch aluminate và magnesium chloride. 27
2.6.1 Quy trình điều chế hydrotalcite từ dung dịch aluminate và magnesium chloride. . 27
2.6.2 Kỹ thuật microwave (sóng viba). . 28
2.6.3 Tối ưu hóa thực nghiệm . 28
2.6.4 Xác định hàm lượng Mg và Al trong sản phẩm. . 30
2.7 Tối ưu hóa quá trình điều chế hydrotalcite từ dịch lỏng và dung dịch magnesium chloride. 32
2.7.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol Mg/Al đến sự hình thành hydrotalcite. 32
2.7.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa đến sự hình thành hydrotalcite.
2.7.3 Xác định dung lượng hấp phụ của mẫu hydrotalcite tạo thành. 33
2.8 Nghiên cứu khả năng hấp phụ thuốc nhuộm RO-13 của hydrotalcite điều chế được từ dịch lỏng. 36
2.8.1 Xác định điểm đẳng điện (PZC) của hydrotalcite điều chế được từ dịch lỏng (TG10’). 36
2.8.2 Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm RO-13 của hydrotalcite điều chế được từ dịch lỏng. . 37
2.9 Biến tính bùn đỏ và nghiên cứu khả năng hấp phụ của chúng. 38
2.9.1 Biến tính bùn đỏ từ bùn khô, dịch lỏng và dung dịch magnesium chloride. 38
2.9.2 Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm RO-13 của bùn đỏ biến tính. . 38


Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN . . 39


3.1 Thành phần một số nguyên tố trong các phần của bùn đỏ. 39
3.2 Kết quả tối ưu hóa theo ma trận yếu tố của quá trình điều chế hydrotalcite từ dung dịch aluminate. 39
3.2.1 Xác nhận pha hydrotalcite trong sản phẩm tạo thành. . 39
3.2.2 Tính toán các hệ số hồi quy. 41
3.2.3 Tính phương sai tái hiện từ dãy thí nghiệm ở tâm. 41
3.2.4 Loại bỏ những hệ số hồi quy không đáng kể theo tiêu chuẩn Student 42
3.2.5 Đánh giá sự phù hợp của chương trình hồi quy với thực nghiệm . 42
3.3 Kết quả tối ưu hóa quá trình điều chế hydrotalcite từ dịch lỏng. . 44
3.3.1 Xác nhận pha hydrotalcite trong sản phẩm tạo thành. . 44
3.3.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol Mg/Al. 45
3.3.3 Ảnh hưởng của thời gian già hóa. 46
3.4 Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm RO-13 của hydrotalcite điều chế từ dịch lỏng.
47
3.4.1 Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ. 47
3.4.2 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 48
3.4.3 Ảnh hưởng của nồng độ RO-13 ban đầu. 52
3.4.4 Xác định phương trình đẳng nhiệt hấp phụ. 53
3.5 Kết quả biến tính bùn đỏ và khả năng hấp phụ của chúng. 54
3.5.1 Kết quả biến tính bùn khô, dịch lỏng và dung dịch magnesium chloride. 54
3.5.2 Khả năng hấp phụ của bùn đỏ biến tính. . 58


Chương 4. KẾT LUẬN . 59
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 61
PHỤ LỤC 64


DANH MỤC HÌNH


Hình 1-1: Độ tan của hematite và goethite theo pH 3
Hình 1-2: Các dạng nhóm hydroxyl bề mặt trên các iron oxide . 4
Hình 1-3: Đường cong chuẩn độ của vữa bùn đỏ và dung dịch kiềm . 7
Hình 1-4: Khoáng sét hydrotalcite . 14
Hình 1-5: Sơ đồ minh họa các liên kết của các hydroxide trong hydrotalcite . 16
Hình 1-6: Thuốc nhuộm hoạt tính họ monoclorotriazin Reactive Red 3 . 19
Hình 1-7: Họ thuốc nhuộm dẫn xuất của pirimidin . 19
Hình 1-8: Họ thuốc nhuộm vinylsulfon . 20
Hình 2-1: Sơ đồ tổng quát điều chế hydrotalcite từ các thành phần chứa aluminate 27
Hình 2-2: Điều kiện phân tích Mg trên máy AAS . 30
Hình 2-3: Đường chuẩn xác định Mg 31
Hình 2-4: Điều kiện phân tích Al trên máy AAS . 31
Hình 2-5: Đường chuẩn xác định Al 32
Hình 2-6: Công thức cấu tạo của Reactive orange 13 34
Hình 2-7: Phổ UV-vis của các dung dịch RO-13 chuẩn 35
Hình 2-8: Đường chuẩn của RO-13 . 35
Hình 2-9: Biểu đồ xác định PZC của TG10’ . 36
Hình 3-1: Phổ XRD của mẫu thí nghiệm 4 39
Hình 3-2: Ảnh SEM của mẫu thí nghiệm 4. 40
Hình 3-3: Phổ XRD của một mẫu hydrotalcite tạo thành từ dịch lỏng 44
Hình 3-4: Ảnh SEM của mẫu hydrotalcite điều chế từ dịch lỏng. . 44
Hình 3-5: Biểu đồ khả năng hấp phụ của các mẫu hydrotalcite theo tỉ lệ Mg/Al 45
Hình 3-6: Biểu đồ khả năng hấp phụ của các mẫu hydrotalcite theo thời gian già hóa 46
Hình 3-7: Biểu đồ dung lượng hấp phụ theo pH của mẫu TG10’ 47
Hình 3-8: Biểu đồ ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ ở pH = 2 . 49
Hình 3-9: Biến thiên pH sau trong quá trình hấp phụ ở pH = 2. 50
Hình 3-10: Biểu đồ ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ ở pH = 5 . 51
Hình 3-11: Biến thiên pH sau trong quá trình hấp phụ ở pH = 5. 51
Hình 3-12: Biểu đồ dung lượng hấp phụ theo nồng độ đầu RO-13. 52
Hình 3-13: Mô phỏng theo phương trình Langmuir 53
Hình 3-14: Mô hình hóa theo phương trình Freundlich. 53
Hình 3-15: Biểu đồ khả năng hấp phụ của các mẫu bùn đỏ biến tính. 55
Hình 3-16: Phổ XRD của bùn đỏ chưa biến tính. 55
Hình 3-17: Phổ XRD của bùn đỏ biến tính với 20g bùn khô. 56
Hình 3-18: Phổ XRD của bùn đỏ biến tính với 1g bùn khô. 56
Hình 3-19: So sánh phổ XRD của bùn đỏ và bùn đỏ trung hòa theo Sara J. Palmer . 57
Hình 3-20: Biểu đồ dung lượng hấp phụ của mẫu BT5G theo pH. . 58


DANH MỤC BẢNG


Bảng 1-1: Thành phần hóa học của quặng bauxite Lâm Đồng 10
Bảng 2-1: Các yếu tố và vùng biến thiên của chúng. . 29
Bảng 2-2: Điều kiện thí nghiệm thiết lập theo ma trận yếu tố phần 30
Bảng 2-3: Giá trị Abs của các dung dịch RO-13 chuẩn . 34
Bảng 2-4: Số liệu xác định PZC của TG10’ 36
Bảng 3-1: Kết quả một số kim loại trong các phần của bùn đỏ nghiên cứu 39
Bảng 3-2: Kết quả đáp ứng Y của các thí nghiệm . 41
Bảng 3-3: Khả năng hấp phụ của các mẫu hydrotalcite điều chế theo tỉ lệ Mg/Al . 45
Bảng 3-4: Khả năng hấp phụ của các mẫu hydrotalcite điều chế theo thời gian già hóa 46
Bảng 3-5: Dung lượng hấp phụ của mẫu TG10’ theo pH 47
Bảng 3-6: Dung lượng hấp phụ của mẫu TG10’ theo thời gian ở pH = 2 . 48
Bảng 3-7: Dung lượng hấp phụ của mẫu TG10’ theo thời gian ở pH = 5 . 50
Bảng 3-8: Ảnh hưởng của nồng độ RO-13 ban đầu . 52
Bảng 3-9: Các giá trị xây dựng các đường đẳng nhiệt hấp phụ . 53
Bảng 3-10: Các hệ số của phương trình Freundlich và Langmuir. 54
Bảng 3-11: Khả năng hấp phụ của các mẫu bùn đỏ biến tính với lượng bùn khác nhau 54
Bảng 3-12: Dung lượng hấp phụ của mẫu BT5G theo pH. . 58




MỞ ĐẦU
Ngày nay, việc khai thác và sản xuất nhôm đang phát triển rất mạnh, kèm theo đó là một lượng lớn bùn đỏ bị thải ra môi trường. Cứ khoảng một tấn nhôm được sản xuất thì có từ một đến hai tấn bùn đỏ thải ra. Xét theo thành phần hoá học thì trong chất rắn của bùn đỏ không có chất gây hại đặc biệt đến môi trường. Tuy nhiên, một lượng lớn bùn đỏ thải ra môi trường thì cũng ảnh hưởng xấu đến môi trường.
Việc nghiên cứu ứng dụng bùn đỏ trong xử lý môi trường là một điều cần thiết để giải quyết vấn đề bã thải, mà không ai phủ nhận được. Nhưng phải tận dụng nguồn bã thải này sao cho có lợi và hiệu quả nhất là vấn đề cần được nghiên cứu kỹ. Dựa trên những kết quả thu được của các tác giả trước, một số những bất thuận lợi khi sử dụng bùn đỏ như sau:


Không thể dùng phương pháp xử lý nhiệt để biến tính bùn đỏ được vì một phần là do tốn kém về năng lượng, phần khác là hiệu quả của bùn đỏ sau xử lý không cao. Nguyên nhân là do khi ta xử lý nhiệt có thể làm mất đi những nhóm chức OH- có trên bề mặt của bùn đỏ. Chính những nhóm chức này là tâm hấp phụ các anion. Tuy bùn đỏ được xử lý bằng acid có hiệu quả hơn bùn đỏ thô, nhưng nó cũng
không có lợi lắm về mặt hóa học. Do bản thân bùn đỏ có pH rất cao (từ 10 – 13), còn dư nhiều xút sau quá trình điều chế nhôm. Nên khi dùng acid để xử lý thì ta sẽ phải tốn rất nhiều acid để trung hòa lượng xút dư này trước khi hoạt hóa được bề mặt bùn đỏ.


Do đó trong đề tài này, chúng tôi muốn tận dụng luôn lượng aluminate dư trong bùn đỏ để biến tính nó trở thành vật liệu hấp phụ thuốc nhuộm xử lý nước. Nguyên tắc của việc biến tính này là dùng dung dịch MgCl2 để kết tủa lượng aluminate dư trong bùn đỏ để tạo thành hydrotalcite, một vật liệu có khả năng hấp phụ thuốc nhuộm cao.


Đây là một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới trên bùn đỏ, giúp tận dụng được nguồn bã thải này một cách hiệu quả nhất. Nếu thành công thì nó sẽ mở ra nhiều vấn đề khác tốt hơn.