M au tro th an bay trư ớ c và sau khi xử lý bằng kiềm được đánh giá thông qua kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X và ảnh kính hiển vi đ iện tử... Phổ nhiễu xạ tia X tro than bay trước x
Trang 1T ạp chí K hoa học Đ H Q G H N , K hoa học T ự n h iê n và C ô n g n g h ệ 23 (2007) 160-165
Chế tạo vật liệu hấp phụ từ tro than bay sử dụng
trong phân tích môi trường
Phần 1 Chế tạo chất hấp phụ từ tro than bay
Đỗ Quang Huy1’*, Đàm Quốc Khanh1, Nghiêm Xuân Trường2, Nguyễn Đức Huệ'
1 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 1 Trung tãm Nhiệt đới Việt-Nga, ĐHQGHN
N h ận n g ày 25 thán g 7 năm 2 0 0 7
T ó m tắ t T ro than b a y c ủ a n hà m áy nh iệt điện P hà Lại đ ư ợ c x ừ lý với d u n g dịch N aO H 3,5M có
thề sừ dụ n g ỉàm ch ấ t h ấp phụ tro n g phân tích m ôi trư ờ ng C ác p h ồ X R D và SE M đà đ ư ợ c dùn g đề
phân tích đánh giá vật liệu này K êt q uà phân tích cho thấy v ậ t liệu thu đ ư ợ c sau x ừ lý kiềm có
ch ứ a các hạt rất nhỏ, hìn h cầu Q uartz, M ullite và Z eo lite P1 (N a ) là các thàn h p h ần chính được
hình thàn h trong quá trìn h xử lý tro than bay bàng dung dịch k iềm
0,5 g am ch ấ t hấp phụ tro than bay đã x ừ lý với du n g d ịc h kiềm đư ợ c n ạp vào cộ t sắc kỷ có
kích thư ớc 3 00m m X 6 m m d ù n g để th ừ nghiệm tách hỗn h ợ p M I và M 2 K ét qu à n h ận đ ư ợ c cho
thấy, vật liệu sử d ụ n g tro n g n g h iên cứ u có k h à n ăn g làm giầu và tách các chất cần phân tích tốt
Đ ộ thu hồi chất phân tích c ủ a hỗn h ợ p M I v à M 2 tư ơ ng ứ ng là 83,3 - 89,5% và 51,28 - 93,75%
N ư ớ c ta là m ộ t nư ớ c đ a n g p hát triển, vấn đề
x ử lý, tái sử d ụ n g rác thải cò n n hiều Iiạn chế,
b ất cập Ở V iệt N am , h àn g năm các nh à m áy
n h iệt điện dùng th an thải ra m ột lư ợ n g lớn tro
than bay H iện nay hơn 50% tro th an trên thế
giới được tái sử dụn g tro n g cô n g n g h iệp sản
xuất xi m ăng, tro n g xây d ụ n g (làm g ạch, vật
liệu nhẹ), v ật liệu làm đư ờ n g T ro n g nông
nghiệp tro than bay đ ư ợ c sử d ụ n g làm p hân
bón, đất nhân tạo, bảo q uản n ô n g s ả n , N h ư ng
ờ V iệt N am tro than bay củ a các nhà m áy n h iệt
điện nói chung ch ư a đư ợc chú ý đ ú n g m ức
V iệc nghiên cứ u chế tạo vật liệu sử d ụ n g tro
’ Tác giả liên hệ ĐT 84-4-8583905
E-mail: huydq@vnu.edu.vn
160
than bay tro n g phân tích m ôi trư ờ ng sẽ góp phần làm tă n g th êm ứ ng d ụ n g cùa loại vật liệu này
2 Thực nghiệm
2.1 V^t liệu, hoá chất: T ro than bay của nhà m áy n h iệ t điện P hả lại đ ư ợ c sử d ụ n g để
ng hiên c ứ u ch ế tạ o vật liệu hấp phụ có c ỡ hạt 45fi.m - 63^171 C ác d u n g m ôi có độ tinh khiết
n an o g rad e gồm n -H ex an , T o lu en , M etanol,
D iclo m eta n D u ng dịch N aO H 3,5 M và HC1,
H2S O4 9 8 % có độ tin h k hiết phân tích H ỗn hợp đung d ịc h ch u ẩn H C H , D D D , D D E , D D T có
n ồ n g độ m ồ i ch ất là lOOppb ( M l) và hỗn hợp
du n g dịch ch uẩn gồm 17 đ ồ n g phân độc nhất
Trang 2Đ.Q H uy và nnk / Tạp chí Khoa học ĐH Q G H N , Khoa học T ự Nhiên và Công nghệ 23 (2007) 160-165 161
c ủ a D ioxin và F u ran có n ồ n g đ ộ m ỗi c h ấ t là
2 0 0 p p b (M 2)
2.2 Thiết bị và dụng cụ dùng trong nghiên
cứu: H ệ thống sắc kí k h í với d etectơ cộ n g kết
điện tử (G C /E C D ) v à d e te c tơ khối phổ
(G C /M S ) của hãng A g ilen t, M ỹ H ệ phân tích
n h iễ u x ạ tia X S IM E M S D 50 05 , Đ ứ c; kính
hiể n vi điện tử q u ét (S E M ) JS M -5 3 0 0 Jeol,
N h ậ t và hệ thố ng m áy phân tích phổ h ấp thụ
ng u y ên tử P erckin Elm er
2.3 Thực nghiệm
Chế tạo vật liệu hấp phụ từ tro than bay:
C ân 40g tro than b ay ch o vào b ìn h tam giác
chịu nhiệt, thêm v à o đó 2 0 0 m l d u n g dịch N aO H
3,5 M [1] H ỗn hợ p đ ư ợ c kh u ấy và đun nóng ở
n h iệ t độ 100°c tro n g 24 g iờ liên tục Đ ể nguội
hỗn hợp đến n h iệt độ phòng, sau đ ó chuyển
to àn bộ hồn hợp v ào cố c thủ y tinh D ù ng nước
cất n ó n g rử a sản phẩm tro than bay sau x ử lý
đến pH =7 Loại bỏ nư ớ c khỏi m ẫu cách lọc hút
ch ân không với sự hỗ trợ c ù a giẩy lọc băng
xanh Sấy sản p h ẩm ở 1 0 5 °c đ ến khối lượng
k h ôn g đổi và đ ư ợ c b ảo quản tro n g bình h ú t ẩm
ch o đến khi sừ dụng
Đánh giá vật liệu hấp phụ từ tro than bay
trước và sau xứ lý: P hân tích v ật liệu trên m áy
nhiễu xạ tia X v ớ i đ iều kiện nguồn p h át xạ
C u K ữ ờ 40K V , 30 m A ; tố c đ ộ q u ét 40/phút;
độ chính xác 0,0 10 , dải đo từ 2 - 550; tia tới
1,5406 A° ; chụp p h ổ ở nh iệt độ p h òn g 2 5 ° c
P hân tích kích th ư ớ c hạt c ù a v ậ t liệu b ằ n g kính
hiển vi điện tử q u y é t khi m ẫu đư ợ c rử a sạch
bằng E tanol và sấy khô ở 105°c
Thừ nghiệm khà năng tách chất của vật liệu
hấp phụ: Vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro than
bay đư ợ c chiết so x h let b ằn g đ u n g m ôi to lu en 24
giờ L ấy 0,3g v ật liệu h ấp phụ đã rử a sạch nạp
vào cộ t sắc ký th ủy tin h có kích thư ớc 300m m X
6m m ; p h ía trên cộ t đư ợ c nhồi 0,5 g S i 0 2 C ột
đư ợ c hoạt h óa b ằn g 40 m l hỗn hợp toluen và
n -h ecx an (1 :1 ) trư ớ c khi sử dụng C ác hỗn hợp
du ng dịch chuẩn M I và M 2 đư ợ c sử dụn g để đánh giá k h ả n ăn g tách c h ấ t củ a vật liệu hấp phụ Đ ối với M I , các bư ớc th ử nghiệm tách
ch ất n h ư sau: ch u y ển 100 nl hỗn hợ p M I vào cột, rử a giải c h ấ t ra kh ỏi cột b ằng 15ml
n -H ex an v ớ i 3 phân đoạn , m ỗi phân đoạn lấy 5
m l C ô cạn các p h ân đ o ạn b ằn g khí N2 đến 0,2
m l C ác p h ân đoạn m ẫu này đ ư ợ c lưu giữ trong
lọ đ ụ n g m ẫ u m ầu nâu ở n h iệt độ 5 ° c cho tới khi
p hân tích Đ ối với m ẫu M 2, cộ t sắc ký đã chuẩn
b ị đư ợ c rử a cộ t bằng 40m l hỗn h ợ p toluen : n -
h exan ti lệ 1:1 C h u y ển 50^1 m ẫu M 2 vào cột
R ử a cộ t b ản g 15 ml n -H exan C ác chất D ioxin
v à F uran đư ợc tách ra khỏi cộ t theo phương pháp đã ch u ẩn hoá [2] M ỗi phân đoạn 1 và 2 lấy lOmi, m ỗi phần đ o ạn 3, 4 và 5 lấy 5m l C ô cạn du ng m ôi củ a các phân đoạn v à lưu giữ phần còn lại củ a m ẫu tro n g lọ m ầu nâu ở 5 ° c
c h o tới k h i p hân tích Đ iều kiện phân tích các
m ẫu đư ợ c chọn: cộ t sắc ký m ao quản H P 1701, 30m X 0 ,2 5 m m X 0,25p.m C h ư ơ n g trinh nhiệt
260°c, 2 0 phút; d e te c tơ 280°C ; injectơ 270°C; khí m an g H e 1,2 m l/ph út
3 Kết quả và thảo luận
T h àn h phần hóa học củ a tro than bay trước
và sau k h i x ử lý đ ã đư ợ c xác định và chi ra
ừ o n g b ả n g 1 M au tro th an bay trư ớ c và sau khi
xử lý bằng kiềm được đánh giá thông qua kết
quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X và ảnh kính hiển vi đ iện tử
B ản g 1 T h à n h p h ần h ó a h ọc (% ) củ a tro than bay trư ớ c và sau khi x ử lý
T h à n h p h ần S i 0 2 A120 j K 20 N a 20 M gO F e20 3 Z n O T i 0 2 C ò n lại C ác bon
T rư ớ c 6 2,75 13,20 1,98 0,08 1,87 3,23 2 ,1 0 1,70 1,19 12,1 Sau 5 3 ,0 6 16,60 2,66 0,18 2,62 4 ,4 0 2 ,8 0 2 ,3 0 2 ,0 8 13,3
Trang 3162 Đ.Q H uy và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQ GHN, Khoa học T ự N hiên và Công nghệ 23 (2007) 160-165
N h ư vậy so với tro than bay ch ư a x ử lý thì
th àn h phần hóa họ c củ a ừ o than bay sau x ử lý
có S i 02 giảm , các th àn h p h ần k h ác đều tảng
V iệc tă n g th àn h phần A1203 v à c tro n g tro than
bay sau x ử lý sẽ làm tín h ch ất c ủ a v ật liệu thay
đổi theo Đ iều này đ ư ợ c th ấ y rõ khi n g h iên cứu
phổ nhiễu x ạ tia X và ảnh kín h hiển vi điện tử
Phổ nhiễu xạ tia X c ủ a tro th an bay trư ớc x ử
lí cho số lư ợng đỉn h k h ô n g n h iều và m ộ t phần
đư ờng nền củ a ph ổ bị n ân g cao , h ìn h 1 Phổ
nhiễu xạ tia X hìn h 9 ch o th ấ y tro n g tro than
bay chì có q uartz ( S i 0 2) và m u llit (A l6Si20 i3) là
ch ủ yếu T h eo [1,3,4] đã chi ra ràng tro than
bay gồm các p ha vô đ ịnh hìn h , tin h th ể và than
dư; tro ng đó tin h th ể gồm q u a rtz và m u llit
.m agnetit, hem atit P ha vô địn h h ìn h ch ứ a nhôm
siỉicat có thể chiếm tới 75% khối lư ợng tro than
bay và tồn tại khi nh iệt đ ố t th a n thấp T h eo các
tài liêu đã công bố [5,6], ữ o than b ay gồm thu ỷ
tin h m ullit, quartz, spinel từ tính P ha thu ỳ tinh
vô đ ịnh h ìn h gắn k ế t tro n g cấu trúc khung dạn g kim rắn c ủ a m u llit và q u a rtz tạo ra cấu trú c dị thể củ a tấ t cả các th à n h p h ần tro, ch ín h vì vậy
p h ổ n h iễ u x ạ tia X k h ô n g rõ nét
P hổ h ìn h 1 có m ộ t góc nhiễu xạ chính (20)
ở 26,8° đ ặ c trư n g c ù a Q u a rtz ( S i0 2) D ự a trên
th ư viện p h ổ của m áy , các pic khác củ a Q u artz còn ờ 20,9° ; 36,5° ; 39,5° ; 40,2° ; 42,5° ; 4 5 ,9 ° ; 50,1°; 54,9°; 68,1° N h ư vậy trư ớ c khi xử lí tro
th an b ay c h ứ a ph a tin h th ể Q u artz là chù yếu
Đ ối v ớ i m ẫu tro th a n bay sau x ử lý kiềm
ch o ph ổ n h iễ u xạ tia X cỏ đ ư ờ n g nền ph ẳng và
xu ất hiện th ê m các píc m ớ i, h ìn h 2 Đ iều đó cho thấy khi x ử lý với k iềm 3,5M các pha vô định
h ìn h có tro n g tro than b a y đã bị hòa tan, để lại tro ng tro than b ay các o x it kim loại và n hữ n g thành p h ầ n cơ bản củ a ữ o than bay là S i 02
(5 3 ,0 6 % ), A 1 A (1 6 ,5 0 % ), F e20 3 (4 ,4 0 % ),
và 13,4% cacbon c h ư a c h á y hết
V*ư*N-ftlEMEMS D5005 - M*u t (Tto toy)
Hình 1 Phổ nhiễu xạ tia X tro than bay trước xử lý
T h àn h phần chính c ủ a tro than b ay sau xử
lý kiềm đư ợc xác định từ ph ổ nh iễu xạ tia X,
hình 2 ch o th ấy , ngoài th àn h phần Q uartz
(S i0 2 ), còn xuất hiện các píc đặc trư n g củ a
m u lỉite (A l6Si20 i 3) rõ n é t ở 16,5°; 31°; 33,2°;
35,3°; 40,9°; 60,5° B ên cạn h hai th àn h p hần
trên, ừ o n g tro th a n b a y sau x ử lý còn xuất hiện
th êm th à n h phần Z e o lit P1 (N a) với lượng khá lớn C ác píc x uất h iện k h á rấ t rõ và m ạnh ở 12,5°; 17,07°; 21,8°; 28,1°; 33,5°; 46,1° được xác định đặc tru n g ch o Z eo lit P1 (N a)
Trang 4Đ.Q H u y và nnk / Tạp chí Khoa học Đ H Q G H N , Khoa học T ự Nhiên và Công nghệ 23 (2007) 160-165 163
V N U + t^ E M E K S 06005 K v * m M (*0 ế f )
I :
ĩ
-H in h 2 P hổ nhiễu xạ tia X tro than bay sau x ử lý
D ự a vào th ư viện ph ổ, Z eo lit P1 (N a) có
cô n g th ứ c tổ n g c ộ n g là N a20 A l20 3(3,5-
5 ,3 ) S i02.nH20 Z eo lit P1 (N a) kết tin h theo hệ
m ạn g te trag o n al với th ô n g số m ạng a = b = c =
10,043A° B ên cạnh th à n h p h ần chính Z eo lit P1
(N a), có th ể Z e o lit P h ilicite với côn g th ứ c tổn g
cộn g là N a20 AI20 3(3,3-5,3)S i0 2.nH2 0 cũng đã
đư ợ c h ìn h th àn h khi x ử lý tro than bay bằng
kiềm V iệc xác định hàm lư ợ ng củ a các Z eolit
hình thành sau xử lí kiềm và nhiệt sẽ được tiến
hành tro ng các ng hiên cứ u tiếp theo
Ả nh vi điện từ q u ét S E M , h ình 3a ch o thấy
tro n g tro th an b ay trư ớ c khi x ừ lý có tồn tại pha
vô định h ìn h và có ch ứ a các hạt thô, th ư ờ ng có góc cạnh v à đ ư ợ c b ao phù bởi m ột lớp th uỷ tinh
vô định h ình Đ iều này giải thích tại sao phổ
nhiễu xạ tia X, hinh 1 cùa tro than bay chưa xử
lý lại k h ô n g rõ n ét và đ ư ờ n g nền k h ôn g phẳng
N g ư ợ c lại, tro th an bay sau khi x ử lý, lớp thủy tin h v ô đ ịn h hìn h n ày m ất đi, làm lộ rõ các hạt
ứ ò n , khá đ ồ n g đều và bề m ặt h ạt không bị che
p h ủ bời c á c ch ất k hác, hình 3b Đ ặc biệt, bên tro ng các hạt cù a v ật liệu tro than bay sau xử lý
đ ư ợ c cấu th àn h từ nh iều hạt hình cầu và hình sợi có k íc h th ư ớ c rất nhò Đ iều này có ng hĩa bề
m ặt h ấp p h ụ củ a v ật liệu là rấ t lớn
a
H ìn h 3 Ả n h S E M củ a tro than bay trư ớ c (a ) v à sau (b ) khi x ử lý
Trang 5164 Đ.Q H u y và nnk / Tạp chí Khoa học Đ H Q G H N , Khoa học T ự N hiên và Công nghệ 23 (2007) 160-165
Hiệu quá tách chất cùa tro than bay x ử lý
kiềm. C ác c h ấ t tro n g h ỗ n h ợ p M 1 đ ư ợ c tá ch ra
kh ỏi c ộ t sắc ký có c h ứ a 0,5 g am tro th a n bay x ử
lý k iềm ch ù y ế u tậ p tru n g tro n g p h ân đ o ạn 2
H iệu q u ả tách c ủ a c ộ t đ ố i v ớ i h ỗ n h ợ p M I đư ợ c
đ ánh g iá th ô n g q u a h iệu suất thu hồi ch ất, kết
q u ả nêu tro n g b ả n g 2 H iệu suất thu hồi c á c chất
H C H , D D D , D D E , D D T tách trên cộ t là khá cao và ổ n định, nằm tro n g khoảng từ 8 3,3% đến 89,5%
Bảng 2 Hiệu suất thu hồi chất ữong hỗn hợp M I trên cột tro than bay xử lý với kiềm (n = 3)
C h ấ t n g h iê n cứ u S ố đ ểm d iện tíc h píc H iệu su ất th u hồi
C ác c h ấ t có tro n g h ỗ n h ợ p M 2 đ ư ợ c tách ra
khỏi c ộ t sắc ký c ó c h ứ a 0,5 g am tro th a n b ay x ử
lý kiềm ch ủ y ếu tậ p tru n g ờ p h ân đ o ạn 1 H iệu
su ất th u hồi c h ấ t đ ư ợ c n ê u b ả n g 3 H iệ u su ất th u
hồi ch ất tín h ch o ph ân đ o ạ n 1 n ằm ừ o n g
k h o ản g từ 5 1 ,2 8 - 8 8 ,2 3 %
Đ ể p h â n tích cảc c h ấ t tro n g m ẫu m ôi trư ờ n g
có n ồ n g độ th ấp , c ở p p b hoặc ppt ch o phép
ch ấp n h ậ n k ế t qu à tá ch c h ấ t đ ạt hiệu su ất thu
h ồ i ch ất từ 40 - 130% /3 / N h ư vậy h iệu suất
tá c h c h ấ t củ a cộ t sắc ký sử d ụ n g tro th a n bay xử
lý k iềm đ ố i vớ i n h ữ n g hỗn h ợ p M 2 nằm tro ng
k h o ản g t ừ 51,28 - 8 8 ,2 3 % là ch ấp nhận được
Bảng 2 Hiệu suất thu hồi chất trong hỗn hợp M2 trên cột tro than bay xử lý với kiềm (n = 3)
C h ất n g h iê n cứ u Đ á p ứ n g d e te c tơ
C h u ẩn M ẫu
H iệu
su ất th u
h ồ i (% )
C h ất n g h iê n cứ u Đ á p ứ n g d e te c tơ
C hu ẩn M ầu
H iệu su ât thu hồi (% )
T ừ k ết q u ả n ê u tro n g b ả n g 2 v à 3 ch o th ấ y
tro than bay được xử lý bằng kiềm có thể sử
d ụ n g làm c h ấ t h ấp p h ụ tro n g tá c h c h ấ t p h ụ c v ụ
p h ân tích m ôi trư ờ n g T u y n h iê n , n h ữ n g k ế t q u ả
th u đ ư ợ c ở ừ ê n chi là k ế t q u ả n g h iê n cứ u b ư ớ c
đầu, m u ốn có n h ữ n g đ á n h g iá sâu h ơ n cần phải
có n h ữ n g b ư ớ c k h ảo sát tiế p th e o
4 K ế t lu ậ n
T ro th a n b ay đ ư ợ c x ử lý bằng kiềm 3,5M có
k h ả n ă n g sử d ụ n g làm c h ấ t hấp phụ tro n g phân tích m ô i trư ờ n g T ừ v iệ c khảo sát phổ nhiễu xạ tia X và ảnh vi điện từ q u ét (S E M ) đối với tro than b a y sau x ử lý k iề m nhận thấy sản phẩm tạo
th àn h là m ộ t hỗ n h ợ p các h ạt rất nhò, hình cầu
Trang 6Đ.Q H u y và nnk i Tạp chí Khoa học Đ H Q G H N , Khoa học T ự N hiên và Công nghệ 23 (2007) 160-165 165
và tư ơ n g đối đ ồ n g đều; và tro n g đó có c h ứ a chủ
yếu là các hạt Q u artz, M u llite và Z e o lit P1
(N a) T ro than bay sau x ử lý đ ư ợ c sử dụn g để
đ á n h giá khả n ă n g hấp phụ và tách c h ấ t đối với
hai hỗn h ợ p M I và M 2 H iệu su ất thu hồi chất
đối với M I là 83,3 đến 89,5% , đối v ớ i M 2 là
51,28 đến 93,7 5%
Tài liệu tham khảo
[1] Kim Wan Bok, Synthetic o f N a-Pl Zeolit from
coal flyash,«/ Ind Eng Chem (1997) 185.
[2] D ioxin Q uality A ssurance A dvisory C om m ittee, Intem al Q uality A ssurance R cquirem ents for the
A nalysis o f D ioxins in Environm cntal Sam ples,
R ep o rt E P S l/R M /23, O ctober 1992.
[3] D w Break, Z eoỉií M elecular sieves, John
W iley & Sons Inc, 1974
[4] E Flanigen, L.B Eyland, M olecular Sieves
Z eoỉit I, W ashington, D.c, 1971
[5] T H enm i, C hem ical conversion o f coal as into sythetic Z eolit and its recyling, Nyu
Seram ikkusu 10, 7 (1 9 9 7 ) 5 4
[6] H.G Jang, T F ukuyam e, T Henm i, Effect o f
A dditional ion-exchange m aterial on
hydroponics o f M uskm elons, J o f Shita 8,
1(1996) 223
Produce absorbent material from coal fly ash using in
environmental analysis
Part ỉ Produce absorbent material from coal fỉy ash
Do Quang Huy', Dam Quoc Khanh1, Nghiem Xuan Truông2, Nguyen Duc Hue1
1 Colỉege o f Sciences, VNU, 2 Vietnam-Russian Tropical Center, VNU
C oal fly a sh o f P halai P o w e r P lant after tre a tm e n t w ith 3 5 M N aO H can b e u se as ab so b en t
m aterial in en v iro n m en tal an aỉy sis X R D p a tte m s and S E M im a g e s o f th e p ro d u c t in d icate d th a t this
m aterial co n tain a very sm all an d sp h erical bead s Q u artz, M u llite an d Z e o lite P1 (N a ) w ere th e m ain
co m p o n en ts ío rm ed d u rin g th e m o d iíĩc a tio n p ro cess
It is cle a r th a t an ex cellen t en ric h m en t an d sep eratio n o f th e a n a ly te s o f in te re s t w e re o b ta in ed fo r
M I an d M 2 m ix tu res using th e 3Q0mm X 6m m g la ss c o lu m n p a c k e d w ith 0.5 g o f co al fly ash after alkalin e treatm en t T h e reco v e ry o f su b stan ces in M I a n d M 2 m ix tu re s w a s 83.3 - 8 9.5 % an d 51.28 -
9 3 75 % , ap p ro p riately