Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng hạt vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt bản cuôn trong xử lý nước bị ô nhiễm bởi kim loại nặng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ******* ĐẶNG NGỌC THĂNG NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG HẠT VẬT LIỆU BIẾN TÍNH TỪ BÙN THẢI KHU CHẾ BIẾN SẮT BẢN CUÔN TRONG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

*******

ĐẶNG NGỌC THĂNG

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG HẠT VẬT LIỆU BIẾN TÍNH TỪ BÙN THẢI KHU CHẾ BIẾN SẮT BẢN CUÔN TRONG XỬ LÝ NƯỚC BỊ Ô NHIỄM BỞI KIM LOẠI NẶNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

*******

ĐẶNG NGỌC THĂNG

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG HẠT VẬT LIỆU BIẾN TÍNH TỪ BÙN THẢI KHU CHẾ BIẾN SẮT BẢN CUÔN TRONG XỬ LÝ NƯỚC BỊ Ô NHIỄM BỞI KIM LOẠI NẶNG

Chuyên ngành: Địa chất môi trường

Mã số: Chương trình đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ HOÀNG HÀ

XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG

Giáo viên hướng dẫn Chủ tịch hội đồng chấm luận văn thạc sĩ

khoa học

TS Nguyễn Thị Hoàng Hà PGS.TS Hoàng Thị Minh Thảo

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn tới cô giáo_TS Nguyễn Thị Hoàng Hà, người đã truyền cho tôi tri thức cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trong Khoa Địa Chất, Trung tâm Nghiên cứu Biển và Đảo đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và thời gian để tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em Phòng thí nghiệm trọng điểm Địa môi trường và Ứng phó biến đổi khí hậu, Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi về cơ sở vật chất, kinh nghiệm và trợ giúp tôi rất nhiều trong thời gian tôi thực hiện các nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn Đề tài ―Nghiên cứu, áp dụng công nghệ tích hợp địa môi trường

- địa sinh thái nhằm ngăn ngừa, xử lý ô nhiễm môi trường nước tại một số điểm ở các lưu vực sông vùng Tây Bắc‖ (Mã số KHCN-TB.02C/13-18) thuộc Chương trình Khoa học và Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước giai đoạn 2013-2018 ―Khoa học và Công nghệ phục vụ phát triển bền vững vùng Tây Bắc‖ đã cho phép sử dụng thông tin, dữ liệu và kết quả nghiên cứu của đề tài để thực hiện luận văn

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân và bạn bè

đã luôn tin tưởng động viên, chia sẻ và tiếp sức cho tôi có thêm nghị lực để tôi vững bước và vượt qua khó khăn trong cuộc sống, hoàn thành bản luận văn này

Học viên

Đặng Ngọc Thăng

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Giả thuyết nghiên cứu 2

3 Mục tiêu nghiên cứu 2

4 Đối tượng nghiên cứu 2

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Một số phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước 4

1.1.1 Phương pháp trung hòa 4

1.1.2 Phương pháp kết tủa 4

1.1.3 Phương pháp trao đổi ion 5

1.1.4 Phương pháp keo tụ - tạo bông 5

1.1.5 Phương pháp lọc màng 6

1.1.6 Phương pháp sử dụng thực vật 6

1.1.7 Phương pháp hấp phụ 6

1.2 Đặc điểm quá trình hấp phụ trên vật liệu 7

1.2.1 Các khái niệm cơ bản 7

1.2.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 9

1.2.3 Động học hấp phụ 14

1.3 Các phương pháp biến tính vật liệu 17

1.3.1 Phương pháp nhiệt hóa 17

1.3.2 Phương pháp biến tính và hoạt hóa bề mặt 17

1.3.3 Phương pháp phủ bọc 19

1.3.4 Phương pháp chèn lớp và tạo cột chống 19

1.3.5 Nhiệt dịch/ zeolite hóa 20

1.4 Cơ sở lựa chọn vật liệu xử lý các kim loại nặng trong nước 21

1.4.1 Cơ sở khoa học 21

1.4.2 Cơ sở thực tiễn 22

1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu 22

1.5.1 Thế giới 22

1.5.2 Việt Nam 25

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Khung logic nghiên cứu của luận văn 28

2.2 Phương pháp tổng hợp và phân tích tài liệu 28

2.3 Phương pháp khảo sát thực địa và lấy mẫu 29

2.4 Chế tạo vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn (SBC2-400-10S) 30

2.5 Thiết kế thí nghiệm 31

2.5.1 Hóa chất 31

2.5.2 Thí nghiệm xác định độ bền và điểm điện tích không (pHPZC) 31

2.5.3 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng hạt vật liệu đến khả năng hấp phụ 32

2.5.4 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ (kinetic sorption) 33

2.5.5 Thí nghiệm hấp phụ đẳng nhiệt (Sorption isotherm) 34

2.6 Phương pháp xử lý và phân tích mẫu 35

2.6.1 pH và Eh của nước 35

2.6.2 Các phương pháp xác định đặc trưng của hạt vật liệu 35

2.6.3 Phương pháp xác định hàm lượng kim loại nặng trong nước 36

2.7 Xử lý số liệu phân tích 37

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Tính chất đặc trưng của hạt vật liệu biến tính SBC2-400-10S 38

3.1.1 Thành phần khoáng vật 38

3.1.2 Thành phần hóa học 39

3.1.3 Một số đặc trưng khác của vật liệu biến tính 40

3.2 Đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng của hạt vật liệu biến tính từ bùn khu chế biến sắt Bản Cuôn (SBC2-400-10S) 43

3.2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ 43

3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ 45

3.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ 47

3.2.4 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt 49

3.2.5 Mô hình động học hấp phụ 54

3.2.6 Khả năng giải hấp 58

3.3 Bước đầu đánh giá khả năng ứng dụng của hạt vật liệu biến tính SBC2-400-10S trong xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng 60

3.3.1 Khả năng xử lý của hạt vật liệu SBC2-400-10S 60

3.3.2 Đánh khả năng cung ứng nguồn vật liệu và tiềm năng ứng dụng 62

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 73

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Các dạng hấp phụ đẳng nhiệt 10

Hình 2 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 11

Hình 3 Đồ thị sự phụ thuộc của C/q và C 11

Hình 4 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 13

Hình 5 Đồ thị sự phụ thuộc của lg q và lg C 13

Hình 6 Đồ thị sự phụ thuộc của lg(qe-qt) vào t 15

Hình 7 Khung logic nghiên cứu luận văn 28

Hình 8 Lấy mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 29

Hình 9 Quy trình chế tạo hạt vật liệu biến tính SBC2-400-10S 30

Hình 10 Vật liệu sau khi được chế tạo 31

Hình 11 Cân pha hóa chất 35

Hình 12 Máy phân tích quang phổ hấp phụ nguyên tử (AAS) 35

Hình 13 Kết quả đo XRD mẫu vật liệu biến tính SBC2-400-10S 38

Hình 14 Điểm điện tích không của hạt vật liệu SBC2-400-10S 42

Hình 15 Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu SBC2-400-10S đến khả năng hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb và As 44

Hình 16 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ kim loại nặng theo thời gian của vật liệu SBC2-400-10S 46

Hình 17 Ảnh hưởng của nồng độ kim loại nặng đến khả năng hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb và As của vật liệu SBC2-400-10S 48

Hình 18 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt dạng tuyến tính quá trình hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb và As của vật liệu SBC2-400-10S 51

Hình 19 Sự phụ thuộc của tham số RL vào nồng độ ban đầu C0 của Mn, Zn, Cd, Pb và As trên vật liệu SBC2-400-10S 52 Hình 20 Phương trình động học hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb và As dạng tuyến tính của

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Mối tương quan của RL và dạng mô hình 12

Bảng 2 Số lượng mẫu phân tích vật liệu và mẫu nước sau khi hấp phụ 36

Bảng 3 Thành phần khoáng vật của mẫu vật liệu 38

Bảng 4 Thành phần hóa học của mẫu vật liệu 39

Bảng 5 Kết quả phân tích PCD, BET, pHPZC, tỉ lệ độ tan 40

Bảng 6 Nhóm chức hoạt động bề mặt của mẫu vật liệu 41

Bảng 7 Các thông số của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của các vật liệu SBC2-400-10S 53

Bảng 8 Các thông số của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của các vật liệu SBC2-400-10S 53

Bảng 9 Các tham số trong mô hình động học hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb và As trên vật liệu SBC2-400-10S 57

Bảng 10 Giá trị năng lượng hoạt động quá trình hấp phụ của các kim loại nặng trên vật liệu SBS2-400-10S 58

Bảng 11 Hàm lượng trung bình kim loại giải hấp và khả năng giải hấp từ vật liệu hấp phụ (mg/l) 58

Bảng 12 Hiệu suất xử lý kim loại nặng của một số vật liệu hấp phụ tại mức nồng độ 20 mg/l (%) 60

Bảng 13 Hàm lượng kim loại nặng trong nước (mg/l) 61

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

SBC2-BR Bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn

SBC2-400-10S Bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn được chế tạo bằng cách trộn

10% thủy tinh lỏng và nung ở 400 0C trong 3 giờ XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction)

XRF Phương pháp trắc phổ huỳnh quang tia X (X-ray fluorescence)

PCD Phương pháp phân tích xác định điện tích bề mặt (particle charge

detector)

FTIR Phương pháp phân tích xác định nhóm chức hoạt động (Fourier

Transformation Infrared Spectrometer)

BET Phương pháp phân tích xác định diện tích bề mặt

(Brunauer-Emmett-Teller)

AAS Phương pháp hấp phụ nguyên tử xác định hàm lượng kim loại

nặng (Atomic Absorption Spectrophotometric)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ô nhiễm nguồn nước đã và đang trở thành một mối quan tâm lớn trong những năm gần đây bởi những ảnh hưởng tiêu cực của chúng đến hệ sinh thái, sinh vật và đặc biệt con người Nguồn nước bị ô nhiễm chủ yếu do hàm lượng các kim loại trong nước vượt ngưỡng cho phép, khi đó chúng sẽ có thể ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường xung quanh Các hoạt động chế biến và khai thác khoáng sản phục

vụ phát triển kinh tế - xã hội là rất quan trọng với nhiều nước trên thế giới, đặc biệt

là những nước đang phát triển như Việt Nam Hoạt động này mang lại lợi ích to lớn nhưng cũng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường và xã hội Đặc biệt, nguồn nước thải từ nhiều khu khai thác và chế biến khoáng sản bị ô nhiễm bởi kim loại nặng (KLN) Để giảm thiểu tác động đến môi trường và hệ sinh thái, hiện nay

có rất nhiều phương pháp được phát triển để xử lý KLN trong nước như phương pháp đông tụ, kết tủa, trao đổi ion, hấp phụ, sinh học Tuy nhiên, việc xử lý ô nhiễm môi trường nước tại các khu khai thác và chế biến khoáng sản là tương đối khó, tốn kém do địa đình phức tạp, xa khu dân cư Vì vậy, cần lựa chọn phương pháp xử lý ô nhiễm môi trường hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường dựa trên thế lợi của nguồn nguyên liệu sẵn có của khu vực Do đó phương pháp hấp phụ sử dụng các nguyên liệu khoáng tự nhiên được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vì giá thành và hiệu suất tốt cho việc xử lý các KLN này

Các nguyên liệu khoáng tự nhiên đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi như đá ong, các khoáng sét (bentonit, kaolinit, verculite), các oxit và hydroxit sắt Ngoài ra, các nguyên liệu tự nhiên cũng nghiên cứu và ứng dụng làm vật liệu biến tính phục vụ xử lý KLN và đạt kết quả hấp phụ tốt Bên cạnh đó, đuôi thải từ hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản như bauxit, than đã được nghiên cứu ứng dụng làm vật liệu biến tính hấp phụ giá rẻ đạt hiệu quả cao Tuy nhiên, rất ít nghiên cứu về khả năng hấp phụ KLN của bùn thải khu chế biến sắt Sự kiện vỡ đập chắn bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn vào ngày 20/7/2015 đã gây ảnh hưởng rất lớn

đến diện tích đất nông nghiệp phía dưới hồ chứa và hệ sinh thái xung quanh Việc

sử dụng chất thải từ hoạt động khai khoáng làm nguồn nguyên liệu đầu vào trong chế tạo vật liệu hấp phụ được coi là hướng tiếp cận sinh thái, thân thiện với môi trường và giảm chi phí chế tạo vật liệu phục vụ xử lý ô nhiễm Do đó, học viên đã

lựa chọn nghiên cứu đề tài luận văn cao học với tiêu đề “Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng hạt vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn trong

xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng”

2 Giả thuyết nghiên cứu

Vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn bằng cách trộn 10% thủy tinh lỏng và nung ở nhiệt độ 4000C trong 3 giờ cókhả năng xử lý nước bị ô nhiễm bởi các KLN Mn, Zn, Cd, Pb, As

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá được khả năng xử lý KLN của vật liệu SBC2-400-10S biến tính

từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn;

- Đánh giá được tiềm năng ứng dụng của vật liệu SBC2-400-10S trong xử lý nước bị ô nhiễm KLN

4 Đối tượng nghiên cứu

- Hạt vật liệu SBC2-400-10S chế tạo từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn bằng cách trộn với 10% thủy tinh lỏng, nung ở nhiệt độ 400 0C trong 3h;

- Các ion KLN: Mangan (Mn); Kẽm (Zn); Cadimi (Cd); Chì (Pb) và Asen (As)

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để thực hiện các mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra, các nhiệm vụ chính mà luận văn sẽ tiến hành bao gồm:

- Tổng quan tài liệu về tình hình nghiên cứu ứng dụng các vật liệu khoáng tự nhiên trên thế giới và Việt Nam trong việc xử lý KLN;

- Khảo sát thực địa và lấy mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn;

- Chế tạo vật liệu biến tính (SBC2-400-10S) từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn trộn 10% thủy tinh lỏng nung ở nhiệt độ 4000C;

- Xác định tính chất của vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn bao gồm thành phần khoáng vật, thành phần hóa học, điện tích bề mặt, nhóm chức hoạt động, điểm điện tích không;

- Thực hiện các thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính (xác định điểm điện tích không pHPZC, khảo sát độ bền, khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng vật liệu và thời gian, nồng độ, thí nghiệm hấp phụ đẳng nhiệt dạng mẻ, thí nghiệm giải hấp);

- Xác định hàm lượng KLN (Mn, Zn, Cd, Pb, As) trong mẫu vật liệu 400-10S và nước trước và sau khi thí nghiệm;

SBC2 Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính SBC2SBC2 400SBC2 10S

- Đánh giá tiềm năng ứng dụng của vật liệu biến tính làm vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường nước

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Một số phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước

1.1.1 Phương pháp trung hòa

Phương pháp trung hòa là sử dụng axit hoặc vô cơ để đưa nước thải có chứa các axit hoặc kiềm về pH khoảng 6,5 - 8,5 trước khi thải vào nguồn nhận Các nước thải axit thường được trung hòa bằng cách lọc qua các vật liệu như dolomit (MgCO3), đá vôi, đá hoa và các chất thải rắn như xỉ và xỉ tro để làm vật liệu lọc Các vật liệu trên được sử dụng ở dạng cục với kích thước từ 30 đến 80 mm Quá trình có thể được tiến hành trong thiết bị lọc nằm ngang hay thẳng đứng (Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002)

1.1.2 Phương pháp kết tủa

Phương pháp kết tủa là phương pháp phổ biến trong xử lý nước thải có chứa KLN, đặc biệt sử dụng kết tủa carbonat canxi và hydroxit kim loại Nguyên lý của phương pháp dựa vào bản chất phản ứng hóa học giữa chất được xử lý và chất đưa vào ở một mức pH thích hợp sẽ tạo thành chất kết tủa, sau đó được tách ra bằng phương pháp lắng

Cơ chế của phương pháp như sau:

Mn+ + n(OH)  M(OH)n

Các kim loại khác nhau sẽ kết tủa tại các giá trị pH khác nhau Do đó, cần xác định giá trị pH thích hợp đối với từng kim loại trong nước Ví dụ, hydroxit Fe3+kết tủa ở pH khoảng 4,1 (97,16%), trong khi đó hydroxit Al ở pH = 4 - 5,5 (92,9%) (Xinchao và nnk, 2005) Tùy thuộc vào thành phần, đặc trưng ô nhiễm của nguồn nước mà cần lựa chọn hóa chất để đưa pH lên mức có thể kết tủa các kim loại cần

xử lý Một số hóa chất thường được sử dụng bao gồm: magie oxit (MgO), natri hydroxyl (NaOH), vôi (CaO)…Trong quá trình kết tủa, việc bổ xung các chất keo tụ như phèn, muối sắt, các polymer hữu cơ có thể nâng cao khả năng loại bỏ KLN từ quá trình kết tủa

1.1.3 Phương pháp trao đổi ion

Được ứng dụng để làm sạch nước bị nhiễm KLN (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd,

V, Mn…) cũng như các hợp chất của As, photpho, xyanua và chất phóng xạ Trao đổi ion là một quá trình trong đó có các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion

có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau (Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002) Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc

tự nhiên hay nhân tạo Vật liệu trao đổi ion tự nhiên là những khoáng có trong đất sét như sillit, montmorillonit, vermiculite và zeolit giống như clinoptilolit, fenspat, chất mica khác nhau… Chất hữu cơ dạng bùn cũng có khả năng trao đổi ion như than bùn Các chất có tính chất trao đổi cation là các chất chứa nhôm silicat, các chất fluor apatit và hydroxyt apatit cũng có tính chất trao đổi lớn

1.1.4 Phương pháp keo tụ - tạo bông

Xử lý bằng phương pháp keo tụ là cho vào trong nước một loại hóa chất (chất keo tụ) có thể đủ làm cho các hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống Quá trình keo tụ tạo bông gồm hai quá trình chính:

- Quá trình keo tụ: Dựa trên cơ chế phá bền hạt keo;

- Quá trình tạo bông: Tiếp xúc /kết dính giữa các hạt keo đã bị phá bền Cơ chất tiếp xúc giữa các hạt này bao gồm: (1) Tiếp xúc do chuyển động nhiệt (chuyển động Brown) tạo thành các hạt có kích thước nhỏ; (2) Tiếp xúc do quá trình chuyển động của lưu chất được thực hiện bằng cách khuấy trộn để tạo thành những bông cặn có kích thước lớn hơn; (3) Tiếp xúc do quá trình lắng của các hạt

Các hóa chất keo tụ thường sử dụng là các muối nhôm sunfat [Al2(SO4)3], poly aluminium cloric (PAC), sắt sunfat (FeSO4), sắt clorua (FeCl3) Tủa bông là

sự tổ hợp các hạt keo đã bị keo tụ, các chất tạo bông thường được sử dụng như các polymer vô cơ (silic hoạt tính), polymer tự nhiên (tinh bột, xantan, pectin), polymer tổng hợp và các chất tạo bông hữu cơ cao phân tử…

1.1.5 Phương pháp lọc màng

Hiện nay trên thế giới có bốn phương pháp lọc màng chính dựa vào các kích thước lỗ của màng bao gồm siêu lọc (UF), lọc nano (NF), thẩm thấu ngược (RO) và điện thẩm tách (EDR) Các chất rắn lơ lửng và những chất bẩn có kích thước lớn hơn màng sẽ được màng lọc giữ lại trên màng Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp này là sau một thời gian lọc cần phải rửa màng lọc hoặc thay thế chúng

1.1.6 Phương pháp sử dụng thực vật

Phương pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm môi trường (phytoremediation) là việc sử dụng thực vật để hấp thụ, phân hủy các chất ô nhiễm

có trong đất, bãi thải, trầm tích và nước ngầm (Cunningham và nnk, 1997; Flathman

và Lanza, 1998; Brooks, 1998) Hiện nay có khoảng hơn 400 loài thuộc 45 họ thực vật được biết là các loài siêu tích lũy kim loại Trong số các loài siêu tích lũy, hầu hết là các loài siêu tích lũy Ni (khoảng 320 loài), 34 loài siêu tích lũy Cu và Co, 20 loài siêu tích lũy Se, 14 loài siêu tích lũy Pb, 10 loài siêu tích lũy Mn, 10 loài siêu tích lũy Zn, 4 loài siêu tích lũy As (Reeves và nnk, 2003)

1.1.7 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ là tích lũy chất cần hấp phụ lên trên bề mặt phân cách pha Xử lý nước thải chứa kim loại bằng phương pháp hấp phụ thực chất là quá trình di chuyển của ion kim loại từ pha lỏng sang pha rắn, các ion kim loại tiếp xúc

và bị giữ bởi các tâm hấp phụ của vật liệu hấp phụ Những chất bị hấp phụ thường không bị phân hủy bằng con đường sinh học và thường có độc tính rất cao… (Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002) Hiệu quả xử lý của phương pháp hấp phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH của dung dịch, nhiệt độ, bản chất vật liệu hấp phụ, hàm lượng kim loại trong nước thải, thời gian thực hiện, tốc độ dòng chảy Các hệ thống hấp phụ có thể làm việc liên tục hay gián đoạn (Barakat, 2011; Gupta và Ali, 2013) Phương pháp hấp phụ có khả năng loại bỏ các hợp chất ô nhiễm vô cơ và các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy trong môi trường nước (Gupta và Ali, 2013) Ưu điểm của quá trình hấp phụ là chi phí thấp dễ vận hành, khả năng hấp phụ kim loại

cao, chất hấp phụ sau khi sử dụng đều có khả năng tái sinh, làm hạ giá thành xử lý Tuy nhiên cũng giống như quá trình kết tủa có nhiều nhược điểm như: độ chọn lọc thấp, sản sinh ra các sản phẩm phụ, phụ thuộc vào độ pH, không thể sử dụng đối với nguồn thải có tải trọng ô nhiễm cao, quá trình xử lý thường phải thực hiện theo phương pháp gián đoạn Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, chất được tích lũy trên bề mặt là chất bị hấp phụ Chất hấp phụ thường là những chất xốp, có nhiều trung tâm hoạt động bề mặt và diện tích bề mặt riêng lớn Chất hấp phụ thường chứa các các mao quản có kích thước khác nhau ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Với các đặc tính trên, nhiều vật liệu có thể được sử dụng làm chất hấp phụ Người ta thường dùng than hoạt tính, các chất tổng hợp hoặc một số chất thải của sản xuất như xỉ tro, xỉ, mạt sắt và một số nguyên liệu tự nhiên để xử lý

ô nhiễm môi trường sử dụng phổ biến như khoáng vật phyllosilicat (bentonit, vermiculite, kaolinit…), các loại khoáng vật có cấu trúc tectosilicat (zeolit), các loại khoáng vật aluminosilicat vô định hình (allophan), các oxit sắt nhôm (hematit, gơtit, bauxit…), các khoáng giàu canxi (canxit, thạch cao…), các khoáng chứa photpho (apatit), các vật liệu giàu hữu cơ (than bùn)…Các nguyên liệu tự nhiên này có khả năng hấp phụ hoặc đồng kết tủa các ion (phyllosilicat, photphat, canxit), phản ứng trao đổi (zeolit) Ngoài ra còn có các vật liệu tự nhiên khác như đá ong và một vài vật liệu tổng hợp như bùn đỏ, tro bay…

1.2 Đặc điểm quá trình hấp phụ trên vật liệu

1.2.1 Các khái niệm cơ bản

Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng) Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ, còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta có thể chia hấp phụ thành 2 loại: hấp vật lý và hấp phụ hóa học

Hấp phụ vật lý:

Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực Van der Walls yếu Đó là tổng hợp của nhiều loại lực khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hoá học (không tạo thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ Do vậy, trong quá trình hấp phụ vật lý không có sự biến đổi đáng kể cấu trúc điện tử của cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn, năng lượng tương tác thường ít khi vượt quá 10 kcal/mol, phần nhiều từ 3 ÷ 5 kcal/mol và năng lượng hoạt hóa không vượt quá 1 kcal/mol (Lê Văn Cát, 1999; 2002)

Hấp phụ hóa học:

Xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học với các phân tử chất bị hấp phụ Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường (liên kết ion, cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa học tương đương với nhiệt phản ứng hóa học và có thể đạt tới giá trị 100 kcal/mol Cấu trúc điện tử của cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ đều có sự biến đổi sâu sắc, tạo thành liên kết hóa học Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học (Lê Văn Cát, 2002; Trần Văn Nhân, 2004)

Giải hấp phụ

Giải hấp phụ là sự đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ Quá trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ Đây là phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế (Lê Văn Cát, 2002; Trần Văn Nhân, 2004)

Dung lượng hấp phụ

Dung lượng hấp phụ (q) là lượng chất bị hấp phụ (độ hấp phụ) bởi 1 gam chất hấp phụ rắn được tính theo công thức:

( ) ( )

Trong đó, C0 (mg/L) là nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ, Ct (mg/L) là nồng độ chất bị hấp thụ tại thời điểm t (phút), V (ml) là thể tích dung dịch chất bị hấp phụ, m (g) là khối lượng vật liệu hấp phụ

độ thì các vị trí hấp phụ trên bề mặt của vật liệu hấp phụ được lấp đầy, điều này chỉ

ra sự hiệu quả của vật liệu hấp phụ cao với nồng độ thấp của chất bị hấp phụ, sau đó thì dung lượng hấp phụ giảm khi nồng độ chất bị hấp phụ tăng

Kiểu S, đồ thị hấp phụ của loại này là độ dốc đường hấp phụ ban đầu tăng tỷ

lệ với nồng độ chất bị hấp phụ, nhưng sau đó giảm và gần như bằng 0 khi các vị trí hấp phụ trên bề mặt bị lấp đầy

Kiểu C (Freundlich isotherm) là kiểu hấp phụ chỉ ra được cơ chế hấp phụ ở

đó các chất hấp phụ có sự tham gia của pha dung dịch đệm mà không phải là lực liên kết bề mặt giữa vật liệu hấp phụ và chất bị hấp phụ (ví dụ gây ra hiện tượng kết tủa của chất bị hấp phụ)

Kiểu H (ái lực cao – high-affinity isotherm) chỉ ra liên kết mạnh giữa vật liệu hấp phụ và chất bị hấp phụ (inner-sphere complexes)

Hình 1 Các dạng hấp phụ đẳng nhiệt

Nguồn: Sparks, 2003

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Khi thiết lập phương trình hấp phụ (Lê Văn Cát, 1999; 2002; Trần Văn Nhân, 1998; 2004; Nguyễn Thị Thu, 2002), Langmuir đã xuất phát từ các giả thuyết sau:

Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định;

Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân;

Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các trung tâm là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh;

Phương trình Langmuir được xây dựng cho hệ hấp phụ khí rắn, nhưng cũng

có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước để phân tích các số liệu thực nghiệm Trong pha lỏng phương trình có dạng:

( )

Trong đó, Ce (mg/L) là nồng độ chất bị hấp phụ, qe (mg/kg) là dung lượng hấp phụ, qmax (mg/kg) là dung lượng hấp phụ cực đại, KL là hằng số hấp phụ Langmuir

Phương trình (3) có thể viết dưới dạng:

qe= qmax

= qmax

(4)

Để xác định các hệ số trong phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, người ta chuyển phương trình (4) về dạng tuyến tính:

( )

Từ đồ thị (Hình 2) biểu diễn sự phụ thuộc của C/q vào C ta sẽ tính được KL

Mối tương quan giữa các giá trị của RL và các dạng của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir thực nghiệm được thể hiện trong bảng 1

Bảng 1 Mối tương quan của R L và dạng mô hình

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich:

Khi nghiên cứu về khả năng hấp phụ trong pha lỏng, trong trường hợp chất hấp phụ có lỗ xốp, Freundlich thiết lập được phương trình đẳng nhiệt trên cơ sở số

liệu thực nghiệm (Lê Văn Cát, 1999; 2002)

Phương trình hấp phụ Freundlich: q = KF C1/n (7)

Khi KF = qe khi Ce = 1 đơn vị, hay KF là dung lượng hấp phụ khi Ce = 1 Giá trị KF lớn đồng nghĩa với hệ có khả năng hấp phụ cao, n là đại lượng đặc trưng cho tương tác hấp phụ của hệ, giá trị n lớn (1/n nhỏ) thể hiện lực tương tác hấp phụ rất mạnh Dạng tuyến tính của phương trình:

lnqe lnKF + ( )lnCe (8)

Trong đó: KF là hằng số hấp phụ Freundlich; 1/n (n > 1, g/L) là thông số cường độ Freundlich Nếu C = 1 đơn vị thì q = KF tức là KF chính là dung lượng hấp phụ tại C = 1, vậy nó là đại lượng có thể dùng để đặc trưng cho khả năng hấp phụ của hệ, giá trị KF lớn đồng nghĩa với hệ có khả năng hấp phụ cao

1/n (n > 1) là bậc mũ của C luôn nhỏ hơn 1, nó đặc trưng định tính cho bản chất lực tương tác của hệ, nếu 1/n nhỏ (n lớn) thì hấp phụ thiên về dạng hóa học và

ngược lại, nếu 1/n lớn (n nhỏ) thì bản chất lực hấp phụ thiên về dạng vật lý, lực hấp phụ yếu

Với hệ hấp phụ lỏng – rắn, n có giá trị nằm trong khoảng từ 1÷10 thể hiện sự thuận lợi của mô hình (Ho và Mckay, 1998) Như vậy, n cũng là một trong các giá trị đánh giá được sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm

Vì 1/n luôn nhỏ hơn 1 nên đường biểu diễn của phương trình (8) là một nhánh của đường parabol, và được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich (Hình 4)

Để xác định các hằng số trong phương trình Freundlich, người ta cũng sử dụng phương pháp đồ thị (Hình 4)

Phương trình Freundlich có thể viết dưới dạng:

để giải thích cơ chế hấp phụ bao gồm mô hình động học hấp phụ bậc nhất và mô hình động học hấp phụ bậc hai

Mô hình động học hấp phụ bậc nhất được giả thiết rằng tốc độ hấp phụ tỉ lệ bậc nhất với dung lượng hấp phụ Mô hình động học bậc nhất có phương trình dạng:

( ) (10) Trong đó, qe và qt (mg/kg) là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và tại thời điểm t (phút), k1 là hằng số tốc độ bậc một của phương trình động học bậc 1 (thời gian-1)

Áp dụng điều kiện tại thời điểm t = 0 và qt= 0, phương trình 5 trở thành :

( )

Hình 6 Đồ thị sự phụ thuộc của lg(q e -q t ) vào t

Ngoài mô hình động học hấp phụ bậc nhất được nghiên cứu thì mô hình động học hấp phụ bậc hai cũng được áp dụng để nghiên cứu tốc độ hấp phụ của chất

bị hấp phụ lên bề mặt vật liệu Mô hình động học hấp phụ bậc 2 được giả thiết rằng, tốc độ hấp phụ tỉ lệ thuận với bình phương dung lượng hấp phụ

= k2(qe −qt)2 (14) Trong đo, k2 là hằng số tốc độ bậc hai của phương trình động học bậc 2 (g/mg.thời gian) ; qe ; qt là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm t (mg/g)

Áp dụng điều kiện biên cho bài toán tại t = 0 và qt = 0, phương trình (14) có thể viết dưới dạng:

( )

Đặt h = k2qe phản ánh tốc độ hấp phụ ban đầu khi qt/t tiến dần đến 0, phương trình (15) trở thành:

( )

Từ đồ thị sự phụ thuộc của t/qt vào t, ta xác định được qe và k2

Nếu coi quá trình hấp phụ tuân theo mô hình giả động học bậc 2 thì năng lượng hoạt động quá trình hấp phụ có thể được xác định theo công thức (Ali và Emel, 2012):

k2 = k0exp (-Ea/RT) (17) Trong đó: k2: hằng số cân bằng hấp phụ (g/mg.phút)

k0: hằng số tốc độ đầu

Ea: năng lượng hoạt hóa (kJ/mol)

R: hằng số khí

T: nhiệt độ tuyệt đối (K)

Trong phương trình (17) k0 có thể được thay thế bằng h và ta có:

k2 = h.exp (-Ea/RT) (18)

Do đó: Ea = RT(ln h – ln k2) (19)

Giá trị năng lượng hoạt hóa sẽ cho biết tính chất của hệ hấp phụ (Ali và Emel, 2012):

Nếu Ea = 5÷25 kJ/mol hấp phụ giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là hấp phụ vật lý; Ea < 21 kJ/mol là sự khuếch tán ngoài; Ea = 21÷40 kJ/mol là khuếch tán trong

Nếu Ea = 40÷800 kJ/mol, hệ hấp phụ hóa học

1.3 Các phương pháp biến tính vật liệu

1.3.1 Phương pháp nhiệt hóa

Để nâng cao hoạt tính bề mặt các vật liệu hấp phụ thì phương pháp nhiệt hóa được nghiên cứu sử dụng rộng rãi Phương pháp này có thể giúp nâng cao độ tinh khiết của vật liệu và loại bỏ một số tạp chất Phương pháp thủy tinh hóa là một trong những phương pháp để tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ tốt và độ chọn lọn cao Ngoài ra, tro bay có thể được thủy tinh hóa và sử dụng để loại bỏ các KLN ra khỏi nước (Kasprzyk và nnk, 2003) Nhiệt hóa diatomit để nâng cao khả năng hấp phụ (Aivalioti và nnk, 2010)

Tuy nhiên, xử lý một số vật liệu ở nhiệt độ cao cũng có thể có tác dụng ngược Như các khoáng sét, khi nhiệt độ lớn (> 500 0C) sẽ dẫn đến quá trình mất nước cấu trúc Các cấu trúc sẽ bị phá vỡ và làm hẹp bề mặt trong (internal surface)

và sẽ dẫn đến làm giảm khả năng hấp phụ của các khoáng sét (Oenal, 2007) Si vô định hình trong vật liệu tro bay hay diatomit có thể bị chuyển hóa thành oxit Si bền vững nếu ở nhiệt độ cao Quá trình này làm cho khả năng hấp phụ của các vật liệu giảm đáng kể

1.3.2 Phương pháp biến tính và hoạt hóa bề mặt

1.3.2.1 Xử lý kiềm/axit

Hoạt hóa axit được biết đến là phương pháp xử lý các khoáng sét với các axit

vô cơ ở nồng độ cao và thường ở nhiệt độ cao Khi đó, các cation sẽ được thay thế bởi các ion H+ và Al3+ và các cation khác thoát ra khỏi cấu trúc bát diện và tứ diện, chỉ để lại các nhóm SiO4 (Theocharis và nnk, 1988) Quá trình này sẽ làm tăng diện tích bề mặt và độ axit của khoáng sét, đồng thời loại bỏ một số ―chất bẩn‖ trong

khoáng sét và hòa tan một phần các lớp silicat bên ngoài (Ravichandran và Sivasankar, 1997)

Quá trình hoạt hóa axit sẽ làm thay đổi diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ hỏng, tùy thược vào từng loại khoáng sét khác nhau, sự có mặt của các khoáng sét hay

"phi khoáng" khác Thành phần hóa học, các ion có mặt trong lớp khoáng sét, loại axit, nhiệt độ và thời gian hoạt hóa có thể tác động đến sự hiệu quả của quá trình hoạt hóa axit

Sự hụt giảm lớp bát diện của montmorillonit được cho là nguyên nhân dẫn đến các mức độ khác nhau về sự phân hủy cấu trúc và nó phụ thuộc riêng rẽ vào khả năng kháng axit của khoáng (Breen, 1994)

Ngoài tác động tích cực, quá trình hoạt hóa axit có thể làm giảm khả năng hấp phụ của vật liệu Khraseh và nnk, 2005 đã cho thấy sự giảm khả năng hấp phụ trao đổi của diatomit khi xử lý chúng với axit Các nhóm OH trên bề mặt sẽ biến mất làm cho bề mặt mất đi hoạt tính vốn có Ngược lại, để tăng hoạt tính cho bề mặt diatomit phương pháp xử lý với kiềm lại đem lại sự cải thiện đáng kể về khả năng hấp phụ các kim loại (Khraisheh và nnk, 2004a)

1.3.2.2 Hoạt hóa với các chất hoạt động bề mặt

Hiện nay, có nhiều nghiên cứu hoạt hóa các khoáng sét với các chất hoạt động bề mặt (Lê Tự Hải và Phan Chi Uyên, 2008) Phương pháp sử dụng các chất hoạt động bề mặt có khả năng tạo ra các bề mặt mở rộng và làm cho tổng diện tích hữu dụng của khoáng sét tăng lên đáng kể

Vlasova và nnk (2007) đã nghiên cứu nâng cao khả năng hấp phụ của bentoit

và cho thấy kết quả tương đối tốt bằng cách sử dụng kết hợp kiềm hóa sử dụng NaOH và hoạt hóa bề mặt với TMA Khi có mặt NaOH và TMA sẽ dẫn đến những thay đổi: Dung dịch NaOH phá hủy những đoàn lạp bentonit kích thước lớn và chuyển hóa Ca-bentonit thành Na-bentonit; Khi bổ sung TMA, TMA thay thế các ion Na hydrat hóa trong khoảng trống giữa các lớp cơ sở của bentonit Một số chất hữu cơ (axit mùn) tự nhiên có khả năng làm tăng hoạt tính bề mặt Một số nghiên cứu tro bay cho thấy sự tương hỗ hấp phụ giữa chất hữu cơ và các KLN trên bề mặt

Ngoài ra, sự có mặt của axit humic cung cấp thêm các vị trí hấp phụ đối với kim loại, và dung tích hấp phụ của tro bay đối với Pb tăng gấp đôi (từ 18 mg g-1 lên 37

mg g-1) khi có mặt humic (Wang và nnk, 2008)

1.3.3 Phương pháp phủ bọc

Sự phủ bọc trong một số oxit ví dụ như Fe hay Mn lên các tinh thể khoáng sét là một trong những ví dụ điển hình trong tự nhiên Các tinh thể khoáng sét đóng vai trò là hạt nhân và làm giá thể cho các oxit bao phủ dần nhờ quá trình hấp phụ và kết tủa bề mặt Các oxit sẽ hình thành một lớp vở mới có diện tích bề mặt lớn để phủ bọc lên các hạt nhân khoáng sét Lớp oxit này cũng có thể làm thay đổi khả năng hấp phụ của các hạt nhân bên trong

Trong những năm gần đây, phương pháp phủ bọc được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi (Eren và nnk, 2009, Xiong và Peng, 2008) trong đó các hạt nhân có thể là các vi tinh thể và lớp vỏ bọc có hoạt tính cao ví dụ như: oxit Fe, oxit Mn, hay oxit Ti… và các sản phẩm này được sử dụng chủ yếu cho xử lý nước và cải tạo đất

Fe và Mn có thể chuyển từ dạng oxit sang dạng hòa tan và mất tác dụng làm giá thể hấp phụ các KLN trong đất dưới điều kiện yếm khí (có thể do ngập nước) Do đó việc sử dụng một số ―lớp vỏ‖ kém bền vững để cố định các kim loại trong đất cần được xem xét và tính toán kỹ lưỡng

1.3.4 Phương pháp chèn lớp và tạo cột chống

Phương pháp chèn (Intercalation) là phương pháp thêm một ―thể ngoại lai‖ vào không gian giữa các lớp khoáng sét mà không làm biến đổi cấu trúc lớp (Schoonheydt và nnk, 1999) Phương pháp này tạo ra vật liệu gọi là intercalated-clay Biến tính bề mặt khoáng sét bởi các hợp chất hữu cơ và vô cơ theo phương pháp tạo cột chống (pillaring) đã được biết đến rộng rãi (Schoonheydt và nnk, 1999)

Độ dày của lớp silicat khoảng 1 nm trong các khoáng sét được tạo từ từ phương pháp này Các lớp silicat được giữ bởi các oxit ceramic (cột chống) với kích thước nano hoặc nhỏ hơn Quá trình này làm tang khoảng cách các lớp bằng cách cố định các hạt ―oxit‖ trong cấu trúc Chúng sẽ đóng vai trò làm cột chống ngăn cản sự gắn

kết giữa các lớp silicat Từ đó, các nhóm bề mặt được tạo bởi các oxit có khả năng phân tán mạnh có vai trò quyết định đối với đặc tính hấp phụ của khoáng sét biến tính

Phương pháp này tạo nên những vật liệu có những đặc tính cao như: khả năng bền nhiệt, tỷ diện cao, và có khả năng xúc tác Các khoáng sét dạng này được tạo ra bằng cách trao đổi vào không gian giữa các lớp silicat của các khoáng sét có khả năng trương nở các ion alkylammonium, các ion phức đa nhân bao phủ các phối

tử hữu cơ (phối tử hydroxo, chloro), các phức ion kim loại với các phân tử hữu cơ khác Các khoảng không giữa các lớp silicat sẽ được lấp bởi các thể ngoại lai, sẽ tạo nên các cột đỡ, chống lại sự thu hẹp của khoang gian này Tuy nhiên, các thể ngoại lại vô cơ có thể bị chuyển hóa thành các cột oxit kim loại tạo nên các cấu trúc xốp bền vững và có diện tích bề mặt lớn dưới tác động của quá trình nhiệt

1.3.5 Nhiệt dịch/ zeolite hóa

Hiện nay, quá trình zeolite hóa được nghiên cứu và ứng dụng rộng rỗng rãi

Nó là quá trình phản ứng nhiệt dịch trong đó diễn ra sự hòa tan và tái tinh thể hóa của Si để hình thành các zeolit có cấu trúc không gian đa chiều Quá trình zeolite hóa đã tạo ra những sản phẩm zeolite tốt có khả năng hấp phụ cao, ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng đang dần cải thiện và nâng cao hơn nữa một số đặc tính của zeolite như độ tinh khiết hóa học cao, độ rỗng lớn, có các kênh dẫn đặc biệt, hay đặc tính chuyên biệt phục vụ cho từng mục đích cụ thể khác nhau Một số thành phần giàu silic được dung để tổng hợp zeolit bao gồm: (1) các gel aluminosilicat hoạt tính hay hydrogel; (2) các khoáng sét đặc biệt là nhóm kaolin; (3) các vật liệu tự nhiên có nguồn gốc núi lửa (Breck, 1974) Trong những năm gần đây những nguồn phế thải giàu silic như tro bay và trấu được nghiên cứu và thực nghiệm để tổng hợp zeloit nhân tạo (Amrhein, 1996, Lin và His, 1995) Các zeolit cũng có thể được hình thành nhờ quá trình biến đổi thủy nhiệt từ diatomit (Chaisena và Rangsriwatananon, 2005)

1.4 Cơ sở lựa chọn vật liệu xử lý các kim loại nặng trong nước

bỏ hai trạng thái này với hiệu suất cao là rất khó Các cation Pb2+, Cd2+ và Zn2+,

Mn2+ mang điện tích dương nên chúng có thể bị loại bỏ thông qua các liên kết hóa học trên bề mặt vật liệu mang điện tích âm (nội phức) Vì vậy, các vật liệu có điện tích bề mặt âm hoặc có độ âm điện cao là một lựa chọn hợp lý trong việc xử lý các cation này

Nhóm phyllosilicat cấu trúc 2:1, chẳng hạn như bentonit hay vermiculit là tốt nhất để đáp ứng điều kiện trên Các khoáng vật silic có nguồn gốc sinh học ví dụ như diatomit hay phytolith cũng có bề mặt mang điện tích âm (tăng dần khi pH tăng) nên chúng cũng có thể loại bỏ Pb, Cd và Zn Ngược lại, As có khả năng bị cố định chặt trên các bề mặt mang điện tích dương, do đó các hợp chất của Fe là thích hợp nhất để xử lý anion này Như vậy, việc xử lý riêng rẽ các chất ô nhiễm là khá dễ dàng tuy nhiên trong nhiều trường hợp các chất ô nhiễm có cả các cation và anion vì vậy để loại bỏ chúng cần trộn các vật liệu với nhau trong quá trình xử lý để đạt kết quả tốt nhất

1.4.2 Cơ sở thực tiễn

Để có được hiệu quả cao khi triển khai thực tế, việc lựa chọn vật liệu hấp phụ Pb, Cd, Zn, Mn và As cũng cần được tính toán dựa trên mức độ sẵn có hay khả năng cung ứng các vật liệu tiềm năng phục vụ xử lý Trong thực tế, các nguồn vật liệu tự nhiên (các mỏ khoáng sản) thường có chất lượng khác nhau và phân bố rải rác ở nhiều địa phương Do đó, cũng cần phải cân nhắc đến các yếu tố làm tăng chi phí khi triển khai xử lý thực tế Nếu nguồn vật liệu tự nhiên không đảm bảo về chất lượng có thể phải bổ sung thêm công đoạn tiền xử lý hoặc biến tính vật liệu để đảm bảo hiệu suất xử lý đáp ứng được mục tiêu đề ra

1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.5.1 Thế giới

Phương pháp hấp phụ được biết đến như một phương pháp đơn giản và hiệu quả trong việc xử lý KLN trong môi trường nước trong những năm gần đây Ưu điểm của quá trình hấp phụ là chi phí thấp, dễ vận hành, khả năng hấp phụ kim loại cao, chất hấp phụ sau khi sử dụng đều có khả năng tái sinh, làm hạ giá thành xử lý Hiệu quả hấp phụ cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH của dung dịch, nhiệt độ, bản chất vật liệu hấp phụ, hàm lượng kim loại trong dung dịch (hàm lượng chất ô nhiễm ban đầu), thời gian thực hiện, tốc độ dòng chảy Các vật liệu hấp phụ tự nhiên được lựa chọn nhiều nhất vì tính hiệu quả, phong phú, giá thành chế tạo thấp

và thân thiện với môi trường

Hiện nay, các nhà khoa học đã chế tạo và áp dụng rất nhiều vật liệu tự nhiên giá thành rẻ, thân thiện với môi trường trong việc xử lý nguồn nước bị ô nhiễm KLN bao gồm đá ong (Chotpantarat và nnk, 2010), zeolit (Motsi và nnk, 2009), kaolinit (Bhattacharyya và Gupta, 2008), oxides và hydroxit sắt (Ito và nnk, 2004) Trên thế giới rất nhiều nghiên cứu đã sử dụng vật liệu tự nhiên trong việc xử lý KLN trong môi trường nước như zeolit, đá ong, khoáng vật sét Zeolit tự nhiên là khoáng chất silicat nhôm (aluminosilicat) có cấu trúc vi xốp Khối cấu trúc chính của zeolit là cấu trúc tetrahedron, trung tâm cấu trúc này là nguyên tử nhôm (Al)

hoặc silic (Si) Sự thay thế Si4+ bởi Al3+ đã tạo nên điện tích âm trong khung cấu trúc Bởi sự linh động của các thành phần ion và cấu trúc dạng xốp với 50% các lỗ, zeolit có khả năng hấp phụ các cation Zeolit tự nhiên đã được nghiên cứu khả năng hấp phụ Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb và Zn Sprynskyya đã chỉ ra dung lượng hấp phụ Cd lớn nhất của Zeolit là 4,22 mg/g ở nồng độ ban đầu 80 mg/l và các nguyên

tố Pb2+, Cu2+, và Ni2+ lần lượt là 27,7; 25,76 và 13,03 mg/g ở nồng độ ban đầu 800 mg/l (Sprynskyya và nnk, 2006) Mudasir nghiên cứu khả năng hấp phụ Hg của zeolit tự nhiên và kết quả chỉ ra hiệu suất xử lý Hg (II) lên tới 99,36% từ nồng độ ban đầu 8 mg/l (Mudasir, 2016)

Đá ong là nguyên liệu được các nhà khoa học sử dụng nhiều trong thí nghiệm hấp phụ các KLN (Xiaohong và nnk, 2008; Aminah và Izaat, 2011) Nước mặt của khu vực khai thác mỏ vàng tại Akara (Thái Lan) đang bị ô nhiễm bởi các kim loại Pb, Zn, Ni và Mn với nồng độ cao hơn so với tiêu chuẩn quốc gia về chất lượng nước Nghiên cứu đã sử dụng laterit làm nguyên liệu hấp phụ và kết luận rằng đá ong có khả năng xử lý các KLN (Putthividhya, 2008) Một nghiên cứu khác tại Thái Lan, thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ các kim loại Pb, Mn, Zn, Ni đã cho kết quả: đá ong có thể hấp phụ các KLN với hiệu quả đạt từ 30 - 44%, với khoảng pH tối ưu là 4 và 5 (Chotpantarat và nnk, 2010) Ngoài ra một số nghiên cứu tập trung xử lý As trong nước ngầm (Sanjoy và nnk, 2007; Maiti và nnk, 2007;…) Maiti đã chỉ ra rằng với khoảng pH tối ưu (2,72), nồng độ ban đầu As là 1 mg/l, đá ong là 40g/l, hiệu quả loại bỏ lên đến 98% (Maiti và nnk, 2007) Glocheux

và nnk (2013) xử lý As với dung lượng đạt 301,2 µg/g.Trong một nghiên cứu khác,

đá ong từ tỉnh Guizhou (Trung Quốc) là một vật liệu môi trường đầy hứa hẹn có thể được sử dụng trong việc loại bỏ Hg (II) khỏi nước thải với hiệu suất 80%

Kaolin là một khoáng vật thuộc nhóm silicat Tất cả các khoáng thuộc nhóm kaolin đều có cấu trúc chứa Al trong lớp bát diện và Si trong lớp tứ diện Các lớp liên kết với nhau bởi cầu nối H giữa các O của lớp tứ diện và OH của lớp bát diện Cấu trúc phyllosilicat 1:1 của nhóm phụ kaolin có hai bề mặt là bề mặt siloxan và

bề mặt hydroxyl Tất cả các anion oxy trên bề mặt siloxan và OH trên bề mặt

hydroxyl đều được cân bằng về điện tích Do đó cả hai bề mặt này đều tương đối trơ

về mặt hóa học Các loại khoáng sét ở phụ nhóm kaolin có chung công thức hóa học (Al2Si2O5(OH)4) nhưng khác nhau về cách sắp xếp các lớp cấu trúc 1:1 Việc khác nhau này dẫn đến những thay đổi về cầu nối H giữa các lớp, cách thức điều chỉnh sự không tương xứng giữa các lớp tứ diện và bát diện, và cấu trúc khung của khoáng sét Việc loại bỏ các ion kim loại sử dụng kaolin dựa trên cơ chế trao đổi và hấp thụ ion vì nó có hàm lượng trao đổi cation thấp (CEC) (15-75mmol/kg đất sét) và diện tích bề mặt nhỏ thường từ 10 đến 20m2/g (Bhattacharyya, 2008) Dung lượng bão hòa (q0) của Cd (II) bị hấp phụ bởi kaolin là 13,03mmol/kg và Fe (III), Co (II), Ni (II) tương ứng lần lượt là 11,2; 11,0; 10,4mg/g (Bhattacharyya và nnk, 2008) Tuy nhiên, đất sét có thể được thay đổi để cải thiện khả năng hấp thụ của nó Các ion kim loại cho thấy ái lực mạnh hơn đối với chất hấp phụ biến đổi phosphate với Pb2+,

Cu2+, Zn2+ và Cd2+ cho thấy hiệu suất trung bình 93,28%, 80,94%, 68,99% và 61,44% (Adebowale và nnk, 2004) Một nghiên cứu khác của Yavuz đã chỉ ra rằng kaolinit

có tiềm năng xử lý một số kim loại như Mn, Co, Ni và Cu với dung lượng hấp phụ lần lượt 0,446 mg/g, 0,919 mg/g, 1,669 mg/g và 10,787 mg/g (Yavuz và nnk, 2002)

Vermiculit là phyllosilicat hình thành do phong hóa hoặc biến đổi nhiệt dịch

từ các sản phẩm mica nguyên sinh như biotit và phlogopit Khoáng vật này có cấu tạo tương tự như smectit với 1 lớp bát diện xen giữa hai lớp tứ diện Tuy nhiên, điểm khác biệt của nhóm khoáng vật này là khả năng trương nở tương đối hạn chế Tuy vậy, vermiculit lại có dung tích trao đổi cation vượt trội so với hầu hết các phyllosilicat trong tự nhiên (100 – 150 meq/100g) Do vậy vermiculit cũng có tiềm năng rất lớn để hấp phụ và xử lý ô nhiễm các KLN Tính hấp thụ của nó đã được đặc biệt chú ý trong một số ứng dụng công nghệ, mặc dù một số nghiên cứu đã mô

tả hoạt động của khoáng vật đất sét này khi có các chất humic (Abate và nnk, 2003) Năm 2003, Abate và nnk đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH, cường độ ion và axit humic lên sự hấp phụ của Cd (II) và Pb (II) trên vermiculit Kết quả cho thấy hấp phụ của Pb (II) ít phụ thuộc vào pH hơn so với quan sát thấy trong Cd (II),

với dung lượng hấp phụ tối đa xảy ra ở pH 5.0 (trong 0.002mol L-1 KNO3) (Abate

và nnk, 2003)

Lakherwal và nnk (2004) đã tiến hành nghiên cứu đá vôi và vôi trong việc xử

lý nước ngầm bị ô nhiễm KLN từ các bãi khai thác than Thí nghiệm cột và thí nghiệm điểm đã được tiến hành, kết quả nghiên cứu thí nghiệm dạng cột cho thấy cả

đá vôi và vôi có hiệu quả xử lý As và Ni là 98% Ngoài ra nhiều nghiên cứu đã chỉ

ra đá vôi kết hợp với các nguyên liệu khoáng khác để xử lý KLN trong nước, cụ thể nghiên cứu khả năng xử lý dòng thải rò rỉ từ các bãi rác bằng vật liệu tự nhiên kết hợp giữa CaO, FeCl3, clinoptillolit, kết quả nghiên cứu đã cho thấy hiểu quả xử lý các kim loại Cr (VI), Fe, Ni, Cu, Zn và Pb lần lượt là 75%; 95,34%; 56,52%; 78,72%; 73,02% và 100% (Gerringa, 1990)

Ngoài các vật liệu khoáng tự nhiên, trên thế giới cũng nhiều công trình nghiên cứu khả năng hấp phụ của các vật liệu chế tạo từ bùn thải khu chế biến mỏ như mỏ than, mỏ quặng bauxit Vào năm 2012, Mingcan và nnk đã xây dựng hệ thống pilot ngoài thực địa sử dụng bùn thải mỏ than để xử lý nước thải axit với nồng độ cao Pb, Zn và các KLN khác Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra khả năng xử lý lên đến 97,2-99,8% Bùn đỏ là bãi thải của quá trình sản xuất nhôm từ quặng bauxit Bùn đỏ là vật liệu có khả năng xử lý ô nhiễm KLN (Hulya và nnk, 2003; Wanchao

và nnk, 2009)

1.5.2 Việt Nam

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu tự nhiên, đặc biệt các vật liệu từ bùn thải khu khai thác mỏ là một trong những lựa chọn lớn nhất trong việc xử lý môi trường ô nhiễm (Nguyễn Trung Minh, 2010; Nguyễn Trung Minh, 2011; Doãn Đình Hùng, 2013) Nguyễn Trung Minh và nnk đã chế tạo hạt vật liệu từ bùn đỏ bauxit Bảo Lộc

và tiến hành thí nghiệm với các kim loại Cu, Pb, Zn, Cd, As và khả năng hấp phụ đạt hiệu quả cao nhất với As (94,91%), Pb (93%), Cd (95,18%), Zn (98,57%) và Cu (98,77%) (Nguyễn Trung Minh, 2011) Ngoài ra, Trần Mạnh Hùng đã nghiên cứu

sử dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ As Kết quả của nghiên cứu cho thấy, bùn đỏ

hoạt hóa bằng axit có hiệu suất hấp phụ As khá tốt Nghiên cứu cho thấy mẫu bùn

đỏ sau khi biến tính bằng HCl 1M có dung lượng hấp phụ cao nhất là 0,48 mg/g đối với As (III) và 0,50 mg/g đối với As (V) Khoảng pH tối ưu để hấp phụ As (III) là 7,5 và đối với As (V) là 4,0 Thời gian hấp phụ cực cân bằng đối với As (V) là 90 phút và đối với As (III) là 45 phút (Trần Mạnh Hùng, 2012)

Các kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ KLN trong môi nước của đá ong cũng đã được tiến hành Ngô Thị Mai Việt đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của đá ong đối với một số kim loại (Cu, Pb, Cd, Co, Ni) Kết quả đã đưa ra được đá ong có tiềm năng hấp phụ KLN với dung lượng cụ thể: Cd (47,55%), Pb (66,66%), Co (43,26%) (Ngô Thị Mai Việt, 2010)

Ngoài ra, Phương và nnk đã sử dụng đá ong biến tính nung ở 400 oC đạt hiệu suất xử lý As 99,42% (Phuong và nnk 2011) Trần Hồng Côn và nnk (2004) đã nghiên cứu hoạt hóa sét và đá ong biến tính nhiệt làm vật liệu hấp phụ As trong nước sinh hoạt Qua các thí nghiệm hấp phụ, hiệu suất xử lý đạt hiệu quả cao với As(III) trên 70% và As(V) trên 80% Nguyễn Thị Hằng Nga (2014) đã chỉ ra khả năng hấp phụ As trong nước của sản phẩm laterit tự nhiên thu thập ở xã Bình Yên, huyện Thạch Thất đạt hiệu quả khá cao (trên 90%)

Nghiên cứu về các mỏ than cho thấy rằng khả năng hấp phụ của Cu, Pb, Zn,

Cd lần lượt là là 1,033 mmol/g, 0,838 mmol/g, 0,491 mmol/g và 0,308 mmol/g (Doãn Đình Hùng, 2013)

Tóm lại, phương pháp hấp phụ xử lý KLN trong nước chủ yếu nghiên cứu các khoáng vật tự nhiên như zeolit, kaolinit, đá ong Chúng là những vật liệu tiềm năng có chứa các thành phần khoáng vật như thạch anh, gơtit, kaonilit có khả năng

xử lý tốt KLN trong nước Dựa trên phân tích và đánh giá các nghiên cứu khác có liên quan cho thấy sử dụng chất thải của khu chế biến sắt Bản Cuôn có khả năng xử

lý cao nước bị ô nhiễm KLN Một số nghiên cứu nguồn gốc, thành phần và cấu trúc của mỏ sắt Bản Cuôn cho thấy một số đặc điểm có tiềm năng xử lý KLN trong nước

Mỏ sắt Bản Cuôn có nguồn gốc biến chất bao gồm 2 loại quặng chính: Limonit

(FeO(OH).nH2O) và Manhetite (Fe3O4.nH4O) (Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, 2009) Hàm lượng khoáng vật chủ yếu trong đuôi thải chủ yếu là thạch anh, kaolinit và gơtit Trong đó kaolinite và gơtit có khả năng hấp thụ nước thải bị nhiễm KLN do cấu trúc của hai loại khoáng vật này (Bhattacharyya và Gupta, 2008) Vì vậy, đuôi thải mỏ sắt Bản Cuôn có tiềm năng lớn trong việc xử lý các KLN trong nước

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Khung logic nghiên cứu của luận văn

Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng hạt vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn trong xử lý nước bị ô nhiễm bởi KLN được tiến hành theo quy trình thể hiện trong hình 7

Hình 7 Khung logic nghiên cứu luận văn 2.2 Phương pháp tổng hợp và phân tích tài liệu

Thu thập các số liệu, tài liệu, về tình hình nghiên cứu các phương pháp xử lý KLN trong nước, các nghiên cứu về ứng dụng vật liệu khoáng tự nhiên trong xử lý

Cơ sở lựa chọn vật liệu hấp phụ

Đặc trưng tính chất

của vật liệu biến tính

Khảo sát thực địa và lấy mẫu

Chế tạo vật liệu, thiết kế thí nghiệm

Xử lý mẫu

và phân tích mẫu

Đạt QCVN 40:2011/BTNMT cho nước thải công nghiệp

- Thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian, nồng độ, khối lượng tới khả năng hấp phụ

- Thí nghiệm khảo sát độ bền vật liệu

ô nhiễm nguồn nước bị ô nhiễm bởi KLN trên thế giới và Việt Nam Ngoài ra, luận văn còn kế thừa và ứng dụng một số kết quả nghiên cứu đã được công bố để luận giải mô hình hấp phụ, mô hình động học và cơ chế của hạt vật liệu biến tính SCB2-400-10S Đặc biệt, luận văn đã kế thừa các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ thủy tinh lỏng trên vật liệu biến tính chế tạo từ bùn thải mỏ sắt (Le Sy Chinh và nnk, 2016) và nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ nhiệt độ trên vật liệu biến tính chế tạo từ bùn thải mỏ sắt (Nguyễn Quốc Biên và nnk, 2016) Các kết quả nghiên cứu này cho thấy hạt vật liệu biến tính SBC2-400-10S có hiệu suất xử lý tốt nhất trong các hạt vật liệu biến tính từ các khoảng nhiệt độ và tỷ lệ trộn thủy tinh lỏng khác nhau Vì vậy, hạt vật liệu SBC2-400-10S được sử dụng để đánh giá khả năng hấp phụ, xác định cơ chế, mô hình hấp phụ, mô hình động học và khả năng ứng dụng thực tế

2.3 Phương pháp khảo sát thực địa và lấy mẫu

Quá trình thực địa được thực hiện tại khu chế biến sắt Bản Cuôn vào tháng

10 năm 2015 nhằm lấy mẫu nghiên cứu Các mẫu được lấy là mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn để phân tích thành phần, đặc trưng của chúng và để chế tạo hạt vật liệu biến tính (Hình 8) Quy trình lẫy mẫu được lấy theo TCVN 6663-13-2000

và bảo quản mẫu theo TCVN 6663 -15: 2004

Hình 8 Lấy mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn

2.4 Chế tạo vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 400-10S)

(SBC2-Vật liệu biến tính được chế tạo từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn, tỉnh Bắc Kạn theo quy trình sau đây (Hình 9):

Hình 9 Quy trình chế tạo hạt vật liệu biến tính SBC2-400-10S

Bước 1: Sấy mẫu nguyên liệu

Đầu tiên mẫu được phơi khô trước khi cho vào tủ sấy ở nhiệt độ 800-1000o

C bằng máy NIIVE OVER KD200 và KD400 trong khoảng 1-2 ngày đến khi khối lượng không đổi

Bước 2: Nghiền mẫu

Mẫu vật liệu thô nguyên khai khu chế biến mỏ sắt Bản Cuôn được đem nghiền mịn bằng máy nghiền MRC sau khi được sấy khô tại Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN

Vật liệu nguyên khai, bùn thải khu

chế biến sắt Bản Cuôn

Vật liệu thô, khô

Vật liệu mịn

Trộn tỉ lệ thủy tinh lỏng : nước Ép vật liệu, định hình hình dạng

Phơi khô vật liệu Nung ở nhiệt độ 400 oC

Vật liệu biến tính SBC2-400-10S

Sấy hoặc phơi khô

Nghiền bằng máy

Theo tỉ lệ 9:1

Bước 3: Chế tạo vật liệu hấp phụ

Trộn thủy linh lỏng: Tiến hành pha trộn nguyên liệu mẫu nghiền với thủy

tinh lỏng (thành phần Na2O và SiO2 tương ứng dao động trong khoảng 11.5 ~ 12.2%

và 27.5 ~ 29.5%) theo tỷ lệ 10% trọng lượng và lượng nước xác định (Với 1kg vật

liệu chế tạo sử dụng 900g nguyên liệu thô + 100g thủy tinh lỏng + 420-450 ml nước

cất 2 lần)

Ép định hình dạng vật liệu: Hỗn hợp nguyên liệu sau khi pha trộn được

chuyển vào máy ép để định hình dạng vật liệu với kích thước 2 mm (Hình 10)

Nung: Vật liệu sau khi được ép định hình được phơi khô ở nhiệt độ phòng rồi

mang đem nung ở nhiệt độ 400 0

C Vật liệu sau khi nung được đóng gói bảo quản

và sử dụng

Hình 10 Vật liệu sau khi được chế tạo 2.5 Thiết kế thí nghiệm

2.5.1 Hóa chất

Hóa chất sử dụng trong các thí nghiệm bao gồm các muối Mn(NO3)2;

Cd(NO3)2.4H2O; Pb(NO3)2; Zn(NO3)2; Na2HAsO4.7H2O, NaNO3, NaOH, dung dịch

HNO3

2.5.2 Thí nghiệm xác định độ bền và điểm điện tích không (pH PZC )

2.5.2.1 Thí nghiệm xác định điện tích không (pH PZC ) của vật liệu biến tính