Đồ Án Nghiên cứu một số tính chất hóa lý về hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ

Đề tài: Nghiên cứu một số tính chất hóa lý về hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ
MỞ ĐẦU
1 Lư do chọn đề tài:
Ô nhiễm nước trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đang là một vấn đề nhức nhối hiện nay bởi những tác hại to lớn của chúng đến chất lượng môi trường và sức khỏe con người trên toàn thế giới. Đặc biệt từ khi cuộc cách mạng khoa học công nghệ ra đời một mặt năng suất lao động nâng cao một cách đáng kể, nhưng đồng thời kèm theo đó là mức độ tàn phá môi trường sống của chính chúng ta ngày càng đáng sợ và nghiêm trọng hơn. Nước thải công nghiệp kèm theo các chất độc hại như kim loại nặng đang là mối nguy hiểm đối với môi trường cũng như chất lượng cuộc sống của người dân.
Ở Việt Nam, ô nhiễm môi trường nước cũng đang ở mức báo động. TP. Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Vinh, Hà Nội, Hải Pḥng và các thành phố lớn là những nơi dẫn đầu về mức độ ô nhiễm: Ô nhiễm hữu cơ, ô nhiễm vô cơ, ô nhiễm kim loại nặng. Đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng đang là vấn đề báo động ở các khu công nghiệp , các cơ sở sản xuất.
Hiện nay các nhà khoa học trong và ngoài nước đang nỗ lực nghiên cứu các phương pháp khác nhau để loại bỏ kim loại nặng trong nước đến mức chấp nhận được đồng thời cũng đảm bảo tính hiệu quả về mặt kinh tế. Ngoài các phương pháp vật lư, hóa học cũng như sinh học đă và đang dùng hoặc đang được nghiên cứu để đưa vào ứng dụng th́ việc nghiên cứu sử dụng các vật liệu, chất liệu là vấn đề cần thiết cho bất cứ một ngành nghề nào. Đặc biệt sử dụng các vật liệu tự nhiên, tái sử dụng các phế thải thân thiện với môi trường luôn được đặt lên hàng đầu nhằm không gây tổn hại tới môi trường, đảm bảo cho sự phát triển bền vững mà vẫn đem lại hiệu quả cao khi sử dụng.
Kim loại nặng có vai tṛ thật sự to lớn trong quá tŕnh phát triển của loài người, đặc biệt trong các ngành công nghiệp. Tuy nhiên chất thải có chứa kim loại nặng ở trạng thái ion ( kim loại nặng tồn tại trong nước, đất ) thỡ nú lại cực kỳ độc hại với con người, thực vật, động vật nếu nó thâm nhập vào cơ thể. Tích lũy với nồng độ cao kim loại nặng có thể gây ung thư cho con người, động vật, c̣n thực vật không phát triển được
Hiện nay có nhiều công tŕnh nghiên cứu nhằm t́m ra phương pháp tối ưu nhất để loại bỏ ion kim loại nặng ra khỏi môi trường bị ô nhiễm. Trong phạm vi của đề tài, chúng tôi chỉ nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trường nước.
Đề tài nghiên cứu sự hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ nhằm t́m thêm một phương pháp mới có thể loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng.
Hiện nay nguyên liệu bùn đỏ có rất nhiều. Bùn đỏ là chất thải ra trong tiến tŕnh tinh luyện từ bauxit đến alumina. Nếu nghiên cứu thành công khả năng hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ đối với ion kim loại nặng sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn, tận dụng và xử lư được nguồn phế thải trong công nghiệp. Đây là một nét mới của đề tài, những đề tài tương tự đó cú trờn thế giới, nhưng chưa được công bố ở nước ta . Chính v́ thế chúng tôi chọn đề tài: “Nghiờn cứu một số tính chất hóa lư về hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ”.

2. Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu một số tính chất húa lớ cơ bản để từ đó xác định các thông số húa lớ phục vụ cho công nghệ chế tạo vật liệu xử lư môi trường.
Tạo ra một vật liệu mới giá thành thấp đáp ứng được nhu cầu xử lí môi trường ngày càng tăng.
3. Đối tượng nghiên cứu:

Chất hấp phụ: Hạt chế tạo từ bùn đỏ
Chất bị hấp phụ: Dung dịch chứa các ion kim loại nặng.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu:

Nghiên cứu tạo hạt hấp phụ từ bùn đỏ
Nghiên cứu nhiệt động học quá tŕnh hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ với các ion kim loại nặng.
5. Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu lư thuyết.
- Nghiên cứu cấu trúc và đặc điểm của các mẫu
- Nghiên cứu lư thuyết hấp phụ
- Nghiên cứu lư thuyết về điểm điện tích không
- Nghiên cứu phương pháp xử lư và phân tích kết quả thí nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Thu thập xử lư mẫu
- Tiến hành phân tích cấu trúc các mẫu bằng phương pháp XRD, XRF.
- Chuẩn bị các dung dịch chứa ion kim loại với nồng độ khác nhau.
- Tiến hành thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại bằng các mẫu theo nồng độ, thời gian, nhiệt độ, theo pH dung dịch, tỷ lệ vật liệu hấp phụ, v.v và đo nồng độ bẵng phương pháp AAS.
- Đo điểm điện tích không của các mẫu thí nghiệm

Nghiên cứu tính chất đẳng điện
Nghiên cứu tích chất nhiệt động học của các quá tŕnh hấp phụ phụ thuộc theo nồng độ.
T́m phương pháp chế tạo ra một số dạng hạt vật liệu để ứng dụng thực tế.
6. Giả thuyết khoa học.
- Dựa vào thành phần cơ bản của bùn đỏ có hàm lượng Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]= 15-25%; Fe[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]= 17,1-22,3% gần giống với đá Bazan ( Các nghiên cứu gần đây đă cho kết quả đá Bazan có khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại nặng trong nước thải).
- Dựa vào những báo cáo khoa học về khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của hạt chế tạo từ bùn đỏ [ 12, 14, 61 ].
V́ vậy chúng tôi sẽ đi sâu nghiên cứu các tính chất hóa lư cơ bản về hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ.

NỘI DUNG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I.1 Tổng quan về Bauxite [ 5 ]
I.2 Quá tŕnh h́nh thành và phân bố.
I.2.1 H́nh thành
I.2.2 Phân bố [5]
I.2.3 Thành phần khoáng vật
I.2.4 Thành phần hóa học
I.3 Bùn đỏ.
I.3.1 Nguồn phát sinh chất thải bùn đỏ
1.3.2 Bùn đỏ
1.3.4 T́nh h́nh thải bùn đỏ tại Việt Nam.[12]
I.3.5 Công nghệ xử lư bùn đỏ.[12]
I.4 Một số vấn đề về ô nhiễm kim loại nặng.
I.4.1 T́nh trạng ô nhiễm môi trường chung
I.4.2 Ô nhiễm kim loại nặng
I.4.3 Hậu quả của ô nhiễm kim loại nặng đến sức khỏe con người
I.4.4 Xử lư ô nhiễm kim loại nặng bằng các phương pháp hóa lư.
I.5 Điểm điện tích không PZC (Point of zero charge) [19]

Khái niệm cơ bản.
PZC là một khái niệm liên quan đến hiện tượnghấp phụvà nó mô tả t́nh trạng khi mật độ điện tích trên bề mặt là không. Nó thường được xác định liên quan đến một pH và giá trị PZC được gán một cho chất nền hay hạt keo.
Giá trị pH mà ở đó mật độ các ion tích điện trên bề mặt ở trạng thái cân bằng gọi là điểm điện tích không PZC.
Nếu độ pH nhỏ hơn giá trị PZC, hệ thống này được gọi là "phía dưới PZC." Khi ấy nước cho ion H[SUP]+[/SUP]nhiều hơn OH[SUP]-[/SUP] v́ vậy các bề mặt được tích điện dương kết quả là hấp phụ anion tốt hơn. Ngược lại ở trên PZC bề mặt chất hấp phụ mang điện tích âm sẽ hấp phụ Cation tốt hơn.
I.6 Hấp phụ
I.6.1 Bản chất của quá tŕnh hấp phụ
Trong quá tŕnh hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ. Bề mặt càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao th́ nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn.
Có 2 quá tŕnh hấp phụ: hấp phụ vật lư và hấp phụ hóa học
I.6.2 Nhiệt hấp phụ
ã Nhiệt hấp phụ hóa học khá lớn, từ 40 ữ 800 kJ/mol, nhiều khi gần bằng nhiệt của phản ứng hóa học. V́ vậy nó tạo thành mối nối hấp phụ khá bền và muốn đẩy chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt xúc tác rắn cần nhiệt độ khá cao.
ã Nhiệt hấp phụ lư học thường không lớn, gần bằng nhiệt hóa lỏng hay bay hơi của chất bị hấp phụ ở điều kiện hấp phụ và thường nhỏ hơn 20 kJ/mol.
I.6.3 Lượng chất bị hấp phụ
I.6.4 Sự phụ thuộc của nhiệt độ
ã Hấp phụ lư học thường xảy ra ở nhiệt độ thấp, khi nhiệt độ tăng th́ lượng chất hấp phụ giảm.
ã Hấp phụ hóa học thường tiến hành ở nhiệt độ cao hơn hấp phụ lư học, ở nhiệt độ thấp th́ lượng chất hấp phụ hóa học giảm và khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tối ưu th́ lượng chất hấp phụ hóa học cũng giảm.
I.6.5 Tính chất của các điểm hấp phụ
I.6.6 Năng lượng hoạt hóa hấp phụ
I.6.7 Trạng thái của chất bị hấp phụ
I.6.8 Cân bằng và đẳng nhiệt hấp phụ:
* Hấp phụ đẳng nhiệt
* Phương tŕnh đẳng nhiệt Langmuir
Giả thuyết của Langmuir (1918):
q=f (C) (1)

[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]





Tốc độ hấp phụ r[SUB]a [/SUB] và nhả hấp phụ r[SUB]d[/SUB] có thể tính bằng:
r[SUB]a[/SUB] = ( n – n[SUB]i[/SUB] ).k[SUB]a[/SUB].C[SUB]e [/SUB] (3)
r[SUB]d[/SUB] = n[SUB]i[/SUB].k[SUB]d[/SUB]
n: là tổng số tâm

n[SUB]i[/SUB] : là số tâm đă bị chiếm chỗ

k[SUB]a[/SUB] , k[SUB]d[/SUB] : hằng số tốc độ hấp phụ, nhả hấp

Khi đạt cân bằng r[SUB]a[/SUB] = r[SUB]d[/SUB]. Đặt => được (4)

V́ mỗi tơm chỉ chứa một phơn tử bị hấp phụ nên n được coi là nồng độ chất hấp phụ tối đa và n[SUB]i[/SUB]bằng nồng độ chất bị hấp phụ trong trạng thái cân bằng với C[SUB]e[/SUB] của chất hấp phụ.

(5)

Biểu thức (5) gọi là phương ŕnh Langmuir được xơy dựng cho hệ hấp phụ khí rắn, mô tả mốiquan hệ giữa q và C.

Biểu thức (5) ta có thể viết thành:

[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE="width: 100%"]
[TR]
[TD](6) hoặc

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

Với:
qe: nồng độ chất bị hấp phụ trong trạng thái cân bằng với Ce
qm: nồng độ chất bị hấp phụ tối đa