ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN − KHOA HÓA BỘ MÔN HÓA VÔ CƠ & ỨNG DỤNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: ĐIỀU CHẾ CHẤT HẤP PHỤ PHOSPHAT TỪ BÙN ĐỎ CỦA NHÀ MÁY HÓA CHẤT TÂN BÌNH GVHD: TS NGUYỄN QUỐC CHÍNH SVTH: NGUYỄN TRẦN HỒNG CHÂU MSSV: 0614018 -2010- Lời mở đầu Phospho là một trong ba thành phần dinh dưỡng chính trong nông nghiệp nhưng đồng thời cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước. Nông nghiệp, công nghiệp và các họat động khác của con người là nguồn sinh ra phosphate trong tư nhiên. Để lọai bỏ phosphate từ nước thải đã có nhiều phương pháp đã được áp dụng. Các phương pháp được sử dụng bao gồm phương pháp sinh học, đồng kết tủa, hấp phụ và trao đổi ion. Trong những năm gần đây, người ta chú ý đến việc phát triển những chất hấp phụ có chi phí thấp và hiệu quả từ các chất thải công nghiệp. Nếu những chất hấp phụ có chi phí sản xuất thấp có thể phát triển sẽ góp phần giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường và sẽ có nhiều lợi ích về kinh tế. Bùn đỏ là chất thải được hình thành trong quá trình sản xuất alumina. Đây là vật liệu có tính kiềm cao pH=10-12.5. Mỗi tấn alumina được sản xuất có khoảng 1-2 tấn bùn đỏ thải ra. Do có tính kiềm cao và sự có mặt của các hóa chất gây hại. Chất thải này là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường cho nên việc xử lý bùn đỏ là một yêu cầu được đặt ra đối với nhà máy sản xuất alumina. Trong đề tài này chúng tôi khảo sát quá trình xử lý bùn đỏ thành vật liệu có khả năng hấp phụ ion phosphate trong nước. 2 Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quốc Chính đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành tốt khoá luận tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn hoá vô cơ và ứng dụng, cùng các bạn sinh viên khoá 06 vô cơ cùng toàn thể các anh chị cao học đã hỗ trợ em trong thời gian hoàn thành khoá luận này. 3 MỤC LỤC 4 Danh mục hình vẽ: Hình 1: Quy trình sản xuất alumin theo phương phá Bayer 15 Hình 2: Sơ đồ xử lý bả thải của nhà máy hóa chất Tân Bình 17 Hình 3: Sơ đồ ứng dụng của bùn đỏ 21 Hình 4:Giản đồ phân ích nhiệt TG và DTA của mẫu bùn đỏ đã xử lý axit 39 Hình 5: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bùn đỏ xử lý ở các nhiệt độ khác nhau 40 Hình 6: Đồ thị đường chuẩn của đường đẳng nhiệt hấp phụ 41 Hình 7: Đường đẳng nhiệt hấp phụ 42 Hình 8: Đường đẳng nhiệt theo Langmuir 42 Hình 9: Đường đẳng nhiệt theo Freundlich 43 Hình 10: Đồ thị hấp phụ phosphat của các mẫu xử lý bằng acid 44 Hình 11: Đồ thị đường chuẩn phospho khi khảo sát nhiệt độ nung 46 Hình 12: Đồ thị tổng hợp các mẫu 0.25M 47 Hình 13: Đồ thị tổng hợp các mẫu 0.5M 48 Hình 14: Đồ thị tổng hợp các mẫu 1.0M 49 Hình 15: Đồ thị tổng hợp các mẫu 1.5M 50 Hình 16: Đồ thị tổng hợp các mẫu 2.0M 51 Hình 17: Đồ thị đường chuẩn theo pH 52 Hình 18: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của pH 53 5 6 1. Tổng quan 1.1 Giới thiệu sơ lược về nhà máy hóa chất Tân Bình Nhà máy hóa chất Tân Bình được xây dựng năm 1969 của tư nhân Đài Loan. Nhà máy sản xuất các sản phẩm là: axit sulfuric, phèn đơn. Năm 1973 nhà máy sản xuất thêm hyroxit nhôm. Hiện nay nhà máy được sự quản lý của công ty hóa chất cơ bản miền Nam. 1.2 Quặng Bauxit Quặng Bauxit được tìm thấy đầu tiên ở thành phố Baux của pháp vào năm 1821. Và ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp nhôm người ta đã tìm thấy quặng bauxit ở nhiều nơi trên thế giới Bảng 1 Thành phần khoáng của quặng Bauxit Khoáng Thành phần khóang vật Công thức hóa học Nhôm Diaspo Boehmit Gibsit AlOOH AlOOH Al(OH) 3 Sắt Goethit Hemantit Ilmenit Titanomagnetit α-FeOOH α-Fe 2 O 3 FeTiO 3 Silic Thạch anh Kaolinit Quartz α-SiO 2 Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O Titan Rutil Anataz Ilmrnit TiO 2 TiO 2 FeTiO 3 Ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng khác như: Mg , Ca, V, Mn, Ni, Cr, Cu, Sn, Zn,Pb, Ga, Nb,… Các nguyên tố silic, sắt, titan thường có trong quặng Bauxit với một hàm lượng đáng kể. Silic là nguyên tố có hại cho quy trình Bayer. Silic tạo với nhôm trong môi trường kiềm các hợp chất alumosilicat ít tan trong dung dịch kiềm, làm giảm một lượng nhôm và làm mất lượng kiềm đáng kể. Ở một mức độ nào đó thì sắt cũng có ảnh hưởng xấu đến việc sử dụng phương pháp Bayer, sắt trong Bauxit chủ yếu nằm trong khóang Geothit, khoáng này có khả năng hấp phụ kiềm cao, làm tổn thất kiềm và tăng chi phí công đoạn rửa bùn thải. Nhìn bề ngòai Bauxit có thể khác nhau, thông thường Bauxit có màu đỏ, khá cứng. Đôi khi cũng gặp bauxit có màu trắng, vàng, xanh thẫm và các màu khác. Màu đỏ chứng tỏ hàm lượng sắt oxit cao, khi hàm lượng sắt oxit thấp thì Bauxit có màu xám hoặc trắng. Thông thường thì thành phần hóa học của Bauxit dao động trong một giới hạn rộng, kể cả hàm lượng Al 2 O 3 cũng như hàm lượng các cấu tử khác. Trong bauxit hàm 7 lượng Al 2 O 3 và modul silic càng lớn thì chất lượng Bauxit càng tốt, trong bauxit lọai tốt nhất thì hàm lượng Al 2 O 3 khoảng 50% hoặc cao hơn và modul silic lớn hơn 10. 1.3 Bauxit Việt Nam[2] Giới thiệu về quặng bauxit Laterit MNVN: Bauxit Miền Nam Việt Nam là sản phẩm phong hóa Bazan tươi tuổi Plioxen -Pleistoxen (N 2 -Q 1 ). 1.3.1 Điều kiện hình thành Quá trình phong hóa tạo các sản phẩm tàn dư có tỉ số hàm lượng Al 2 O 3 /SiO 2 đạt giá trị lớn hơn 1. Các sản phẩm tạo nên do quá trình này gọi là sản phẩm Laterit. Tùy thuộc vào thành phần đá mẹ và tuổi tạo thành mà có thể phân chia các Laterit ra làm 3 loại 1. -Alferit 2. -Ferit 3. -Frosialit Vỏ phong hóa Laterit chứa tầng sản phẩm afferit giàu hyroxit nhôm tự do, phát triển gắn liền với quá trình phong hóa đá Bazan tuổi Pliocen muộn - Pleistocen sớm N 2 -Q 2 . Trong mỗi thời kì tạo vỏ trái đất và trên mỗi lọai đá mẹ khác nhau có những thành phần tạo vỏ với những khoáng vật đặc trưng khác nhau. Trong các vỏ Laterit chứa bauxit là : Gibsit- Kaolinite, Gibsite- Kaolinite- Gothite, với một ít Boehmite, Diaspore. 1.3.2 Điều kiện tự nhiên Trong khu vực Đông Nam Á bazan kainozoi phân bố chủ yếu ở Việt Nam. Do có khí hậu rất thuận lợi nên Việt Nam rất phát triển vỏ phong hóa lọai này. Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm. Có vị trí địa lý khá đặc biệt diện tích co hẹp kéo dài theo phương kinh tuyến, địa hình phức tạp lại chịu ảnh hưởng của gió mùa đông bắc và gió mùa đông nam nên Việt Nam có nhiều miền, nhiều vùng địa lý khác nhau về khí hậu, thủy văn, thảm thực vật. Đối chiếu với đặc điểm khí hậu phong hóa Laterit của thế giới, với tiêu chuẩn khí hậu phong hóa Laterit, ta thấy rằng khí hậu ở các vùng có lớp phủ bazan koinozoi của Việt Nam cũng thuận lợi cho quá trình phong hóa Laterit. 1.3.3 Địa hình -Bề mặt địa hình cổ phải tương đối bằng phẳng với độ nghiên không quá 5 o . Và các bề mặt này bước đầu bị phân cắt bởi các mạng suối với các vách sâu khoảng 01-15m hoặc hơn nữa. -Độ cao tuyệt đối của các bề mặt bazan cổ vào lúc tạo Bauxit Laterite dao động trong khoảng từ vài chục tới 1000m. -Vỏ phong hóa Laterite thường phân bố ở địa hình có vùng lượn sóng dạng bát úp, điều kiện thoát và trao đổi nước thuận lợi, mực nước ngầm ở sâu. 8 1.3.4 Cấu tạo vỏ phong hóa Bauxit Laterite: Độ dày của đới phong hoá thay đổi từ vài 3m đến 30-50m tùy thuộc vào đặc điểm tự nhiên của từng vùng. Bề dày lớp vỏ phong hóa Bauxite Laterite trên cao nguyên Bảo Lộc là 8m, bề dày của các thành tạo Bauxite biến động từ 1.5-5.5m (trung bình 3.5m). 1.3.4.1 Đá bazan tươi chiều dày từ 0-10m. Sự phong hóa yếu, bazan chủ yếu bị nứt vỡ cơ học và bị oxy hóa bởi oxy không khí. Oxit Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO TiO 2 SiO 2 % khối lượng 14-17 4-6 4-7 1.8 49 1.3.4.2 Đới Sapolit Chiều dày 0-10m Đặc trưng bởi sự phong hóa của các khóang sẫm màu chứa sắt : Olivin và Pyroxen . Trong quá trình Laterite hóa hợp chất sắt hóa trị (II) chuyển thành hóa trị (III) bền vững hơn. Thành phần của đới này là : Oxit Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO TiO 2 SiO 2 % khối lượng 18-2- 15-20 0.4-1.2 - 46-53 Trong giai đọan phân hủy đá gốc và tạo thành đới Litoma thì Na, Ca, Mg, K bị mang đi hầu hết (94.5- 99.5%) so với đá gốc. Ở giai đọan này Ca, Ni, Mn, Si cũng bị di chuyển mạnh và bị mang đi nhiều (61-90%) so với đá gốc, còn Cr, Mn bị mang đi ít hơn hẳn. Riêng Al, Fe, Ti, Zn thì hầu như không bị mang đi, mang đến. 1.3.4.3 Đới Litoma Chiều dày 0-30m, ở những chỗ thoát nước kém đới Litoma dày hơn Oxit Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO TiO 2 SiO 2 % khối lượng 28-35 21-23 1 1-4 30-35 Thành phần chủ yếu của khoáng này là Kaolinite, Goethite. Bên cạnh đó, còn có một lượng nhỏ Hematite và Alumogoethite. Phần trên đới xuất hiện Gibbsite tạo thành lớp dày từ vài centimet đến vài mét. 9 1.3.4.4 Đới Bauxite Chiều dày 0-13 m Khoáng vật chủ yếu của đới Bauxite là Gibbsite, Goethite, Alumogoethite, hemantite, Ilmennite. Ngòai ra còn có một lượng nhỏ các khoáng Anatas, Rutile, Quartz, Kaolinite, Titanomanhetite,…. Oxit Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO TiO 2 SiO 2 % khối lượng 30-41 26-35 1.10-1.02 1-5 0.8-8.2 Khối lượng mang đi của các nguyên tố giảm hẳn: Na, K, Mg, Ca hầu như không bị mang đi, hoặc mang đến. Si tiếp tục mang đi với cường độ như ở giai đọan trước. Lượng Fe, Ti, Zr trong giai đọan này biến đổi nhỏ (6%). Al được mang đi nhiều nhất (160-200g/dm 3 ). Như vậy giai đọan Laterite đặc trưng chủ yếu bởi sự magn đi của Si và mang đến của Al sự tạo thành Gibbsite. 1.3.4.5 Đới thổ nhưỡng Trong quá trình tạo thành đới thổ nhưỡng do có sự tham gia của các vi sinh vật và sự tác động của các vật chất hữu cơ mà đặc điểm mang đi hoặc mang đến của các nguyên tố là khác nhau trong các giai đọan phong hóa. Oxit Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO TiO 2 SiO 2 % khối lượng 30,5 27.4 - 5.4 15 Trong quá trình này Si được mang đến (192%) so với đới dưới còn Al, Fe bị mang đi (45%). Ca, Mg, K được mang đến với mức độ đáng kể. Ở Việt Nam người ta tìm thấy quặng bauxit ở nhiều nơi như: Bảo Lộc, Di Linh, Tân Rai, Lâm Đồng,… với trữ lượng lớn. Hàm lượng các nguyên tố chính trong quặng Bauxit Laterit miền Nam Việt Nam: Al 2 O 3 =35-55%; SiO 2 =0.1-15%; Fe 2 O 3 =13-30%; TiO 2 =3.2-4.9%. Hàm lượng khoáng vật: Gibsit=50-70%; Goethit và hemantit=25-30%; Kaolinit=15%. Bauxit Laterit miền nam Việt Nam thuộc lọai có hàm lượng sắt cao, có nhiều nguyên tố phụ như: Mg, Ca, Mn, K, Na, V, Ga, P,S, Cr, Zn, Ba với hàm lượng 10 -5 –10 -1 %. Theo một vài khảo sát cho thấy thành phần nguyên tố chính trong quặng Bauxit Laterit miền Nam Việt Nam như sau: Các nghiên cứu thành phần hóa học và thành phần khoáng vật học Bauxit Laterit miền nam Việt Nam cho thấy nó thích hợp với phương pháp Bayer. 10 [...]... lượng nitrate hấp phụ trung bình là 24% với 30% bùn đỏ, 9% với 20% bùn đỏ và 10% bùn đỏ thì hấp phụ khôg đáng kể Gần đây, Cengeloglu (2006) nghiên cứu quá trình loại bỏ nitrate bằng bùn đỏ và bùn đỏ hoạt hoá bằng HCl Lựơng hấp phụ của bùn đỏ thô và bùn đỏ hoạt hoá tương ứng là 1.86 và 5.86mmolnitrate/1g bùn đỏ Quá trình hấp phụ đựơc mô tả bằng đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich Cơ chế loại... vào bùn để có thể chuyển ra bãi thải Cặn đỏ sau khi rửa Nước Hồ chứa H2SO4 để trung hòa Bơm Bã thải Hình 2: Sơ đồ xử lý bả thải của nhà máy hóa chất Tân Bình 15 1.5 Bùn đỏ[ 8] 1.5.1 Bùn đỏ và xử lý bùn đỏ Quặng thải Bauxit hay còn gọi là bùn đỏ (bởi vì có màu đỏ) là sản phẩm phụ chủ yếu từ quá trình hoà tách trong sản xuất alumin theo công nghệ Bayer Khối lượng và chất lượng bùn đỏ, hàm lượng caustic của. .. năng hấp phụ Pb, Zn, Cd của bùn đỏ Kết quả chỉ ra rằng: bùn đỏ sau khi được sấy khô qua đêm tại 1050C, với cấp hạt nhỏ hơn 0.02 mm có khả năng hấp phụ cao hơn 30% so với xử lý acid 0.05N tại tỉ lệ bùn đỏ/ acid (1:25 về khối lượng) trong 2 giờ Hấp phụ tối đa: 1 Pb khoảng 1.80mmol/1g bùn đỏ 2 Cd khoảng 1.25mmol/1g bùn đỏ 3 Zn khoảng 1.90mmol/1g bùn đỏ Kết quả hấp phụ cho thấy bùn đỏ có thể xem như một chất. .. nghiệm: 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận này là: 1 Khảo sát các đặc tính cơ bản, và khả năng hấp phụ phosphat của bùn đỏ của nhà máy hoá chất Tân Bình 2 Khảo sát quá trình hoạt hóa bùn đỏ bằng phương pháp thủy nhiệt nhằm điều chế vật liệu có khả năng hấp phụ phosphat tốt Các yếu tố khảo sát bao gồm: a Nồng độ dung dịch axit hoạt hóa b Nhiệt độ nung sau khi xử lý thủy nhiệt 2.3... năng hấp phụ tốt hơn mẫu bùn đỏ thô Mẫu được điều chế bằng cách dùng bù đỏ khuấy trộn với HCl 0.25M trong 2h, mẫu khác được điều chế bằng cách nung bùn đỏ ở 700oC trong 2h, ghi nhận được lượng phosphat hấp phụ được là 99% Xảy ra ở pH=7 , 250C và nồng độ phosphat ban đầu là 155mg/l Bùn đỏ xử lý bằng nước biển-Bauxol cũng có khả năng hấp phụ được dùng để loại bỏ phosphat Kết quả hấp phụ và giải hấp cho... được hoạt hoá thì có khả năng hấp phụ cao hơn bùn đỏ thô Dung lượng hấp phụ flo tốt nhất ở pH=5.5 ở pH lớn hơn 5.5 lượng flo bị hấp phụ giảm bởi vì sự cạnh tranh mạnh với ion hyroxit trên bề mặt bùn đỏ Khi pH thấp khả năng hấp phụ giảm do hình thành axit HF Quá trình hấp phụ tuân theo đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, lượng hấp phụ tối đa là 0.33mmol/g Cơ chế hấp phụ phosphat có thể giải thích dựa... hấp phụ và chất bị hấp phụ trong dung dịch đệm acetat Sự hấp phụ phosphat tuân theo đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và cả Freundlich Hiệu quả của tiến trình đạt đến 80-90% tại nhiệt độ phòng López(1998) đánh giá sự khả thi của việc dùng bùn đỏ trong xử lý nứơc thải Người ta điều chế kết hợp các thành phần của bùn đỏ với 8% theo khối lượng của CaSO4 Tiến hành hấp phụ phosphat bằng mẫu điều chế ở trên... đó sự hấp phụ phosphat còn phụ thuộc vào nồng độ, có sự gia tăng mạnh khi tăng nồng độ phospho Để hiểu cơ chế hấp phụ của các dạng phosphat khác nhau trên bauxit, Altundogan và Tumen (2002) đã nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ và giải hấp phosphat vô cơ và hữu cơ trên bùn đỏ Kết quả quá trình hấp phụ và giải hấp cho thấy rằng quá trình hấp phụ phosphat trên bauxit dựa trên cơ chế trao... khả năng hấp phụ Huang đưa ra một khảo sát về sự hấp phụ phosphat bằng bùn đỏ của Australia Mẫu bùn đỏ thì được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau như là xử lý bằng axit HNO3 và HCl , kết giữa xử lý acid và xử lý nhiệt tại 700oC Kết quả cho thấy rằng bùn đỏ hoạt hoá bằng nhiệt hoặc axit làm tăng khả năng hấp phụ phosphat Bùn đỏ được xử lý bằng HCl cho kết quả hấp phụ cao nhất 23 Chất hấp phụ Nhiệt... trên trong cột và bể Cơ chế hấp phụ phosphat cũng đã được dự đoán và thảo luận Fortin và Karam (2001) cũng có nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ phosphat trên bùn đỏ Thực nghiệm cho thấy rằng bùn đỏ có khả năng hấp phụ rất lớn với lượng hấp phụ tối đa từ 4045mg/g Kết quả chỉ ra rằng quá trình trao đổi ligand liên quan đến khả năng hấp phụ phosphat một cách nhanh chóng bởi bùn đỏ, với khả năng kết tủa . HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN − KHOA HÓA BỘ MÔN HÓA VÔ CƠ & ỨNG DỤNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: ĐIỀU CHẾ CHẤT HẤP PHỤ PHOSPHAT TỪ BÙN ĐỎ CỦA NHÀ MÁY HÓA CHẤT TÂN BÌNH GVHD: TS NGUYỄN QUỐC CHÍNH SVTH:. khảo sát ảnh hưởng của pH 53 5 6 1. Tổng quan 1.1 Giới thiệu sơ lược về nhà máy hóa chất Tân Bình Nhà máy hóa chất Tân Bình được xây dựng năm 1969 của tư nhân Đài Loan. Nhà máy sản xuất các. vào bùn để có thể chuyển ra bãi thải. Hình 2: Sơ đồ xử lý bả thải của nhà máy hóa chất Tân Bình. 15 Cặn đỏ sau khi rửa Hồ chứa Bơm Bã thải H 2 SO 4 để trung hòa Nước 1.5 Bùn đỏ[ 8] 1.5.1 Bùn