nghiên cứu một số tính chất hóa lý về khả năng hấp phụ kim loại nặng và asen của vật liệu chế tạo từ đá ong việt nam

Giả thiết khoa học Một số đề tài nghiên cứu gần đây, đã cho kết quả đá ong Việt Nam có khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nước thải, nhưng việc sử dụng đá ong trong xử lý môi trường cò

Cùng với việc đẩy mạnh công nghiệp hóa để phát triển đất nước (và ngành khai thác khoáng sản phục vụ công nghiệp luyện kim) thì lượng chất thải công nghiệp thải ra môi trường cũng tăng nhanh, đặc biệt là chất thải có chứa các ion kim loại nặng như Cu2+, Cd2+, Zn2+, Pb2+, As3+ cũng tăng lên trong môi trường đất và nước Chúng là nguyên nhân gây ra các độc tố trong nguồn nước, khi vào cơ thể các ion kim loại nặng tích tụ và có thể gây nên các bệnh như rối loạn thần kinh, thiếu máu, ung thư…

Vấn đề xử lý kim loại nặng trong chất thải công nghiệp, nước sinh hoạt cho hiệu quả cao với chi phí thấp nhất đã được nghiên cứu, tìm kiếm nguồn nguyên liệu giá rẻ có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trường như đá ong, đá granit, cao lanh, than bùn, đất sét… đang được quan tâm hiện nay

Thực tế là nguồn nước ở vùng có địa tầng đá ong có nồng độ ion kim loại nặng rất thấp, so với những vùng nước xung quanh đó không có địa tầng đá ong Một số đề tài nghiên cứu gần đây cũng đã cho biết đá ong có thể hấp phụ ion kim loại nặng và Asen Liệu rằng, vật liệu được chế tạo từ

đá ong có khả năng hấp phụ ion kim loại nặng, có thể ứng dụng cho việc

xử lý ô nhiễm kim loại nặng và Asen được không? Trả lời cho câu hỏi trên

là lý do để chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu một số tính chất hóa lý về khả năng hấp phụ kim loại nặng và Asen của vật liệu chế tạo từ đá ong Việt Nam”.

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu một số tính chất hóa lý cơ bản của đá ong nguyên khai

- Nghiên cứu một số tính chất hóa lý và khả năng hấp phụ ion kim

3 Đối tượng nghiên cứu

- Chất hấp phụ:

+ Đá ong Việt Nam (Laterit)

+ Vật liệu chế tạo từ đá ong

- Chất bị hấp phụ: dung dịch có chứa các ion kim loại nặng

4 Giả thiết khoa học

Một số đề tài nghiên cứu gần đây, đã cho kết quả đá ong Việt Nam

có khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nước thải, nhưng việc sử dụng đá ong trong xử lý môi trường còn hạn chế do khối lượng riêng của đá ong lớn, dung lượng hấp phụ còn hạn chế Vì vậy chúng tôi đi sâu nghiên cứu một số tính chất hóa lý và khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của vật liệu chế tạo từ đá ong

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

5.1 Đối với đá ong.

- Xác định cơ chế hấp phụ của đá ong với các ion kim loại nặng

- Xác định PZC, diện tích bề mặt của mẫu đá ong thí nghiệm

- Nghiên cứu thành phần mẫu đá ong thí nghiệm

5.2 Đối với vật liệu chế tạo từ đá ong

- Nghiên cứu vật liệu phối trộn, khả năng kết dính, độ cứng

- Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu chế tạo từ đá ong với ion kim loại nặng

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu chế tạo từ đá ong đối với các ion kim loại nặng theo thời gian, theo khối lượng và theo nhiệt độ

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu chế tạo từ đá ong đối với ion kim loại nặng trên theo nhiệt độ khác nhau Tính ∆G, ∆H theo các nhiệt độ đó

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu chế tạo từ đá ong đối với các ion kim loại phụ thuộc vào pH của dung dịch

6 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

- Vật liệu nghiên cứu

+ Đá ong Việt Nam

+ Vật liệu chế tạo từ đá ong

7 Phương pháp nghiên cứu

7.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu về cấu trúc và đặc tính của đá ong tự nhiên

- Nghiên cứu lý thuyết hấp phụ

- Nghiên cứu lý thuyết về điểm đẳng nhiệt

- Nghiên cứu phương pháp xử lý và phân tích kết quả thí nghiệm tổng hợp kiến thức để đưa ra hệ thống lý thuyết nghiên cứu

7.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Thu thập, xử lý mẫu, tiến hành phân tích cấu trúc các mẫu bằng phương pháp AAS, XRF

- Chuẩn bị các dung dịch chứa các ion kim loại với nồng độ khác nhau

- Tiến hành thí nghiệm theo dõi sự hấp phụ ion kim loại bằng các mẫu theo nhiệt độ, theo độ pH, theo thời gian, theo khối lượng

- Đo điểm đẳng điện của các mẫu thí nghiệm

8 Tính mới của đề tài

- Nghiên cứu nhiệt vi sai và nhiệt hoạt hóa của đá ong

- Tính ∆G, ∆H của vật liệu chế tạo từ đá ong

- Xác định dung lượng hấp phụ của vật liệu chế tạo từ đá ong với các ion kim loại nặng ở các độ pH khác nhau

- Xác định hấp phụ phụ thuộc theo pH, thời gian, khối lượng vật liệu

PHẦN I: TỔNG QUAN I.1 Tổng quan về Laterit

Laterit là các sản phẩm của quá trình phong hoá các đá xảy ra mãnh liệt và kéo dài ở vùng nhiệt đới và được tăng cường bởi lượng mưa lớn và nhiệt độ cao Quá trình chuyển hoá từ đá thành laterit xảy ra tương đối từ

từ bởi vì tăng cao hàm lượng sắt và giảm hàm lượng silic trong các mặt cắt laterit trên đá mẹ cũng theo từng bước một

I.1.1 Laterit đá ong

Laterit đá ong phổ biến ở nước ta Thành phần hóa học và khoáng vật

hóa cho thấy có sự phụ thuộc rõ rệt giữa hàm lượng Al2O3 với thành phần

đá gốc Đá ong hình thành trên các đá mafic có hàm lượng Al2O3 cao nhất (20-30%), thấp nhất là trên đá lục nguyên (12-15%), trên đá phiến kết tinh (12-14%) Hàm lượng Fe2O3 khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa hình và dao động trong khoảng 25-50% SiO2 chiếm tỷ lệ thấp trong vỏ phong hóa các đá mafic (4-7%), trong đá phiến và trong các trầm tích lục nguyên, hàm lượng SiO2 dao động trong khoảng rộng từ 16-55%

I.1.2 Laterit kết vón

Laterit kết vón ít phổ biến hơn laterit đá ong, laterit kết vón cũng được hình thành trên các trầm tích lục nguyên Thành phần hóa học của sét kết vón dao động trong khoảng rộng, tùy thuộc vào tỷ lệ giữa lượng kết vón và sét nền bao quanh Nhìn chung, hàm lượng Fe2O3 trong đới này thấp hơn trong đá ong (8-25%), có lẽ đây là điểm khác biệt rõ ràng giữa hai kiểu laterit đá ong và laterit kết vón

I.2 Tình trạng ô nhiễm môi trường nước tại Việt Nam

I.2.1 Tình trạng ô nhiễm chung

Nước là nguồn tài nguyên rất cần thiết cho sự sống trên Trái Đất Nước luôn luôn tuần hoàn trong thế giới tự nhiên, dưới hình thức của những chu trình nước Nước sạch không chứa các chất nhiễm bẩn, vi khuẩn gây bệnh và các chất hóa học ảnh hưởng đến sức khỏe con người Ngoài ra, nước sạch còn được quy định về thành phần giới hạn của một số ion kim loại nặng, một số chất thải dưới mức cho phép của Tổ chức y tế Thế giới

Vấn đề ô nhiễm nước mặt, nước dưới đất ngày càng trở nên nghiêm trọng, có những nơi đến mức báo động Nguyên nhân là do: rác tồn đọng nhiều trong khu dân cư và chưa được xử lý, điều kiện vệ sinh môi trường khu vực dân cư vừa thiếu, vừa không đảm bảo vệ sinh; hệ thống thoát nước và nước thải thường xuyên bị ứ đọng, tắc; nước thải công nghiệp, các

xí nghiệp, bệnh viện… hầu hết không được xử lý hay làm sạch trước khi thải vào hệ thống thoát nước chung; nhiều vùng, nguồn nước ngầm bị ô nhiễm, do gần các cơ sở có ô nhiễm nặng và nguy hiểm Nhiều nơi chất lượng nước suy giảm mạnh, nhiều chỉ tiêu như BOD5, COD cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần

I.2.2 Ô nhiễm kim loại nặng

Nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt, nước rỉ từ các bãi chôn lấp rác thải ngấm xuống đất và xâm nhập gây ô nhiễm các tầng nước dưới đất Đây là nguy cơ chính gây ô nhiễm kim loại nặng, nitơ và asen trong nước ngầm

Ở Việt Nam hiện nay, quy mô và mức độ ô nhiễm kim loại nặng đang gia tăng với mức độ đáng lo ngại Nguồn gốc phát thải của các kim loại nặng có thể là tự nhiên (như Asen) hoặc từ các hoạt động của con

người

I.3 Hấp phụ

I.3.1 Bản chất quá trình hấp phụ

I.3.2 Đẳng nhiệt hấp phụ

I.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

I.4 Điểm điện tích không (Point of zero charge - PZC)

I.4.1 Lý thuyết chung

I.4.2 Các khái niệm cơ bản

I.4.3 Các phương pháp đo

I.5 Các phương pháp nghiên cứu laterit

I.5.1 Phương pháp phân tích nhiễu xạ Rơnghen (XRF)

I.5.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

PHẦN II THÍ NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

CHƯƠNG I ĐÁ ONG (LATERIT) I.1 Xác định điểm điện tích không của đá ong OTT

I.1.1 Xác định sơ bộ của điện tích không của OTT

Kết quả và xử lý kết quả: Vẽ đồ thị sự phụ thuộc ∆pH vào pHi

∆pH = pHi – pHf (pHi và pHf là giá trị pH của dung dịch trước và sau hấp phụ) Điểm giao giữa đường cong với trục hoành là điểm có ∆pH = 0, đây là điểm điện tích không của vật liệu hấp phụ (pHPZC)

y = -0.0388x3 + 0.802x2 - 4.4665x + 5.7986

R2 = 0.9866

-3 -2 -1 0 1 2 3

pH i

∆ p H

pH i

∆ p H

y = 0.6044x - 3.7949

R 2 = 0.9913

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

I.2 Xác định diện tích bề mặt của đá ong OTT

Kết quả đo diện tích bề mặt của đá ong OTT

- Diện tích bề mặt: 113,82m2/g

- Đường kính lỗ xốp: 69,82A0

I.3 Phân tích nhiệt vi sai của đá ong OTT

I.4 Phân tích thành phần của đá ong OTT

Thành phần Al2O3 Fe2O3 SiO2 CaO MgO TiO2 MnO K2O

CHƯƠNG II: HẠT VẬT LIỆU TẠO TỪ ĐÁ ONG (LATERIT)

II.1 Tạo hạt vật liệu từ đá ong OTT

Bảng 2.1: Các hạt đã ép và tỷ lệ phối trộn với vật liệu khác.

TT Đá ong

OTT(gam)

Vật liệu phối trộn Nước

(ml)

Kí hiệu hạtKaolanh

(gam)

Dầu cốc(ml)

II.2 Thí nghiệm nung hạt vật liệu

Sau khi chia các mẫu và nung ở nhiệt độ từ 400 – 9000C, thu được 42 mẫu hạt vật liệu, kí hiệu từ A1 đến A42

II.3 Thời gian phân rã của các hạt vật liệu trong nước

Kết quả thí nghiệm

- Nhiệt độ nung hạt càng cao thì hạt vật liệu càng bền trong nước

- Tỷ lệ phối trộn với các vật liệu như kaolanh, dầu cốc càng cao thì hạt càng nhanh phân rã

- 10 loại hạt bền trong nước gồm: A9, A13, A17, A18, A21, A22, A23, A37, A40, A41 Chúng tôi đem 10 loại mẫu hạt này để xác định dung lượng hấp phụ của các hạt đối với ion Pb2+

II.4 Xác định dung lượng hấp phụ ion Pb 2+ của hạt vật liệu

Kết quả và xử lý kết quả: Dựa vào kết quả thí nghiệm, chúng tôi

chọn 2 mẫu hạt A9 và A18 có dung lượng hấp phụ Pb2+ cao hơn các hạt còn lại để làm các thí nghiệm về xác định dung lượng hấp phụ của các hạt vật liệu đó với ion kim loại nặng và Asen

II.5 Xác định diện tích bề mặt của các hạt vật liệu A9 và A18

Hình 2.2: Xác định sơ bộ pH PZC của hạt vật liệu A9 với NaCl 0,01M.

Nhận xét: Kết quả sơ bộ có thể dự đoán điểm điện tích không của hạt vật liệu A9 trong khoảng 6,00 – 6,50 Kết quả tính toán hạt vật liệu A9 có pHPZC ≈ 6,38 (± 0,02)

II.6.2 Hạt vật liệu A18

Xác định sơ bộ điểm điện tích không của hạt vật liệu A18

∆ p H

pH i

∆ p H

pH i

y = -0.0473x + 0.8938x - 4.6251x + 5.268

R 2 = 0.9947

-3 -2 -1 0 1 2

Hình 2.4: Xác định sơ bộ pH PZC của hạt vật liệu A18 bằng NaCl 0,01M.

Nhận xét: Kết quả sơ bộ có thể dự đoán điểm điện tích không của hạt vật liệu A18 trong khoảng 6,00 – 6,50 Kết quả tính toán hạt vật liệu A18 có pHPZC ≈ 6,39 (± 0,02)

II.7 Dung lượng hấp phụ kim loại nặng của các hạt vật liệu A9 và A18 II.7.1 Thí nghiệm xác định dung lượng hấp phụ ion Pb 2+

II.7.1.1 Ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ ion Pb 2+

Kết quả và xử lý kết quả: Dựa vào kết quả thí nghiệm, ta vẽ đồ thị sự phụ thuộc % hấp phụ vào môi trường pH của dung dịch Pb2+ trước hấp phụ

- Hạt vật liệu A9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

pH

Hình 2.5: Ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ Pb2+

của hạt vật liệu A9

∆ p H

pH i

pH i

∆ p H

- Hạt vật liệu A18

0 20 40 60 80 100

Hình 2.6: Ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ Pb2+

của hạt vật liệu A18

Nhận xét: pH tối ưu để xử lý ô nhiễm Pb2+ của hạt vật liệu A9 và A18 khoảng 7-8

II.7.1.2 Ảnh hưởng thời gian đến khả năng hấp phụ ion Pb 2+

Kết quả và xử lý kết quả: Dựa vào kết quả thí nghiệm, ta vẽ đồ thị sự phụ thuộc % hấp phụ vào thời gian hấp phụ ion Pb2+của hạt vật liệu

- Hạt vật liệu A9

0 20 40 60 80 100

- Hạt vật liệu A18

0 20 40 60 80 100

Nhận xét: Khi thời gian hấp phụ ≥ 120 phút thì hấp phụ ion Pb2+ của

2 loại hạt A9 và A18 không tăng nữa Hạt vật liệu đạt trạng thái bão hòa hấp phụ

II.7.1.3 Ảnh hưởng khối lượng hạt vật liệu đến khả năng hấp phụ ion Pb 2+

Kết quả và xử lý kết quả: Dựa vào kết quả thí nghiệm, ta vẽ đồ thị sự phụ

thuộc % hấp phụ Pb2+ vào khối lượng hạt vật liệu hấp phụ

- Hạt vật liệu A9

\

0 10 20 30 40 50 60

- Hạt vật liệu A18

0 10 20 30 40 50 60 70

Pb2+ nồng độ 50mg/l khoảng 120 - 140g, thì đạt hiệu quả cao

II.7.1.4 Ảnh hưởng nồng độ Pb 2+ đến khả năng hấp phụ của hạt vật liệu Hằng số theo Freundlich và Langmuir của hạt vật liệu hấp phụ ion Pb 2+

1 Kết quả và xử lí kết quả thí nghiệm

a Hạt vật liệu A9: Dựa vào kết quả thí nghiệm, ta vẽ đồ thị sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ - qe vào nồng độ ion Pb2+

0 2 4 6 8

Hình 2.11: Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ Pb2+

của hạt vật liệu A9

* Hằng số theo Freundlich của hạt vật liệu A9 hấp phụ ion Pb 2+

y = 0.5321x - 0.7822

R2 = 0.9941

-2 -1 0 1

0 1 2 3 4 5 6

Hình 2.15: Freundlich – Hạt vật liệu A18 hấp phụ Pb2+

- Dựa vào đồ thị hình 2.15, ta tính được các thông số theo Freundlich

của hạt vật liệu A18 hấp phụ ion Pb2+.Chất hấp phụ Ion kim loại R2 1/n Kf(x 102)

Hình 2.16: Langmuir 1 – Hạt vật liệu A18 hấp phụ Pb2+

- Dựa vào đồ thị hình 2.16, ta tính được các thông số theo Langmuir

Phương trình tính R2 Ka(l/mg) qm(mg/l)

c Nhận xét: Theo TCVN, giới hạn nồng độ các chất gây ô nhiễm trong

nước thải công nghiệp (bảng I.6, trang 20), nhận thấy:

+ Nồng độ ion Pb2+ trong dung dịch gấp 1,12/0,5 = 2,24 lần giới hạn nước thải công nghiệp tiêu chuẩn B, sau khi xử lý bằng cả 2 loại hạt vật liệu A9 và A18, thì dung dịch sau khi xử lý đều đạt nước thải công nghiệp tiêu chuẩn A

+ Khi nồng độ ion Pb2+ trong dung dịch gấp 5,29/0,5 = 10,58 lần giới hạn nước thải công nghiệp tiêu chuẩn B, sau khi xử lý bằng cả 2 loại hạt vật liệu A9 và A18 Chỉ có dung dịch sau xử lý bằng hạt vật liệu A18 đạt nước thải công nghiệp tiêu chuẩn A

+ Khi nồng độ ion Pb2+ gấp 2 đến 100 lần giới hạn nước thải công nghiệp tiêu chuẩn B thì hạt vật liệu A18 xử lý loại nước thải đó tốt hơn hạt vật liệu A9

II.7.2 Thí nghiệm xác định dung lượng hấp phụ As(V)

II.7.2.1 Ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ As(V)

Kết quả và xử lý kết quả: Dựa vào kết quả thí nghiệm, ta vẽ đồ thị sự phụ thuộc % hấp phụ vào môi trường pH của dung dịch As(V) trước hấp phụ

- Hạt vật liệu A9

020406080

Hình 2.17: Ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ

As(V) của hạt vật liệu A9

- Hạt vật liệu A18

Hình 2.18: Ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ As(V)

của hạt vật liệu A18

- Nhận xét: pH tối ưu để xử lý As(V) của hạt vật liệu A9 và A18 trong

khoảng 5-6

II.7.2.2 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ As(V)

Kết quả và xử lý kết quả: Dựa vào kết quả thí nghiệm, ta vẽ đồ thị sự phụ thuộc % hấp phụ vào thời gian hấp phụ của hạt vật liệu

- Hạt vật liệu A9

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Hình 2.19: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ As(V)

của hạt vật liệu A9

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Hình 2.20: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ As(V)

của hạt vật liệu A18

- Nhận xét: Khi thời gian hấp phụ ≥ 120 phút thì hấp phụ As(V) của cả 2 loại hạt A9 và A18 không tăng nữa Hạt vật liệu đạt trạng thái bão hòa hấp phụ

II.7.2.3 Ảnh hưởng khối lượng hạt vật liệu đến khả năng hấp phụ As(V)

Kết quả và xử lý kết quả: Dựa vào kết quả thí nghiệm, ta vẽ đồ thị sự phụ thuộc % hấp phụ vào khối lượng của hạt vật liệu hấp phụ ion Pb2+

- Hạt vật liệu A9

0 10 20 30 40 50 60

0 10 20 30 40 50 60 70

Kết quả và xử lí kết quả: Dựa vào kết quả thí nghiệm, ta vẽ đồ thị sự

phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào nồng độ dung dịch As(V)

a Hạt vật liệu A9

0 0.1 0.2 0.3 0.4

y = 0.393x - 1.0794

R2 = 0.9953

-3 -2 -1

Hình 2.24: Freundlich – Hạt vật liệu A9 hấp phụ As(V).

- Dựa vào đồ thị hình 2.24, ta tính được các thông số theo Freundlich của hạt vật liệu A9 hấp phụ As(V)

Hình 2.25: Langmuir 1 – Hạt vật liệu A9 hấp phụ As(V).

- Dựa vào đồ thị hình 2.25, ta tính được các thông số theo Langmuir

của hạt vật liệu A9 hấp phụ As(V)

- Hạt vật liệu A18