TỔNG QUAN
Amoni – vấn đề đƣợc quan tâm hiện nay
1.1.1 Bản chất và các tác động có hại của amoni trong nước
Amoni là sản phẩm phụ độc hại phát sinh từ quá trình trao đổi chất của động vật và sự phân hủy tự nhiên của chất thải động thực vật Sự hiện diện của amoni trong nước là dấu hiệu cho thấy nguồn nước đang bị ô nhiễm, do đó cần kiểm soát chặt chẽ các chỉ tiêu khác như nitrat, nitrit và vi sinh vật có thể gây hại cho sức khỏe Theo quy định QCVN 08 và 09: 2008/BTNMT, mức amoni cho nước mặt loại A là từ 0,1 - 0,2 mgN/L, loại B là từ 0,5 - 1,0 mgN/L, và đối với nước ngầm, mức amoni cho phép là 0,1 mgN/L.
Trong môi trường nước, amoni tồn tại ở cả dạng phân tử (NH 3 ) và ion (NH4
Độ độc của amoni phụ thuộc mạnh vào pH, nhiệt độ và độ mặn, trong đó pH là yếu tố quan trọng nhất Amoni chuyển hóa thành ion amoni ít độc hơn ở pH thấp (dưới 7), nhưng khi pH vượt quá 7, mức độ độc của amoni tăng lên do sự gia tăng dạng phân tử Chỉ với nồng độ tổng amoni khoảng 0,25 mg/L, cá và các sinh vật nước khác đã có thể bị ảnh hưởng Đặc biệt, dạng phân tử (NH3) ở nồng độ rất thấp từ 0,01 đến 0,02 mg/L cũng đủ để gây chết cá.
Bảng 1.1 Dạng tồn tại của amoni phụ thuộc vào pH [11] pH 6 7 8 9 10 11
Quỹ lương thực thế giới (FAO) quy định cho nước nuôi cá: amoni
< 0,2 mgN/L đối với họ Salmonid (cá hồi) và 0,8 mgN/L đối với họ Cyprinid (cá chép) [10]
Amoni là một hợp chất không bền, khi ở dạng ion, nó sẽ lấy oxy trong nước để chuyển hóa thành nitrat Quá trình này tạo ra độc tố, gây hại cho sự sống của thủy sinh trong môi trường nước.
Ion amoni trong nước không quá độc hại đối với con người, với mức quy định là 1,5 mgN/L theo QCVN 01/02: 2009/BYT Tuy nhiên, nồng độ amoni cao có thể dẫn đến một số hậu quả nghiêm trọng.
Quá trình clo hóa có thể bị giảm hiệu quả và độ tin cậy do sự phản ứng của các chất khác với clo, dẫn đến việc hình thành cloramin Cloramin có tác dụng sát khuẩn yếu hơn clo khoảng 100 lần, làm giảm khả năng khử trùng của nước.
Khi nước có mặt lâu, vi khuẩn có thể chuyển hóa thành nitrit và nitrat Mặc dù nitrit và nitrat không trực tiếp gây ung thư, nhưng khi vào cơ thể, chúng dễ phản ứng với các chất khác để tạo thành các hợp chất N-nitroso, có khả năng gây ung thư Điều này được quy định trong tiêu chuẩn vệ sinh nước uống của Bộ Y tế (số: 1329/2002/BYT/QĐ).
Amoni và một số chất vi lượng như photpho, sắt, mangan trong nước đóng vai trò quan trọng như nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn và tảo, dẫn đến sự không ổn định sinh học trong chất lượng nước sau xử lý Hệ quả là nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống ống dẫn và bể chứa, cũng như suy giảm các yếu tố cảm quan Đây là vấn đề được giới khoa học đặc biệt chú trọng, và yêu cầu về hàm lượng amoni sau xử lý là bắt buộc trong mọi quy trình sản xuất nước cấp cho sinh hoạt.
1.1.2 Nguyên nhân nhiễm amoni và các phương pháp xử lý amoni trong nước
Nguồn nước bị nhiễm amoni chủ yếu do sự gia tăng các hợp chất chứa nitơ từ chất thải sinh hoạt và sản xuất Các hợp chất này dưới tác động của vi sinh vật sẽ chuyển hóa thành amoni Amoni sau đó thẩm thấu qua đất nhờ nước mưa, ngấm vào các mạch nước ngầm và tồn tại ở đó cho đến khi được khai thác.
Các phương pháp thông thường như lắng, lọc, và keo tụ không hiệu quả trong việc xử lý amoni, vì chúng chỉ tác động đến các tạp chất lơ lửng và chất rắn hòa tan Hiện nay, các phương pháp xử lý amoni hiệu quả hơn đã được áp dụng, bao gồm clo hóa đến điểm đột biến, trao đổi ion, thổi khí ở pH cao, ozon hóa với xúc tác bromua, phương pháp sinh học và điện thẩm tách.
1.1.2.1 Phương pháp clo hóa đến điểm đột biến
Clo là hóa chất duy nhất có khả năng oxy hóa amoni/ammoniac thành N2 ở nhiệt độ phòng Khi clo hoặc các hợp chất của nó được hòa tan trong nước, dạng tồn tại của clo sẽ phụ thuộc vào pH của nước, có thể là HClO hoặc ClO-.
Cl 2 + H 2 O HCl + HClO (pH < 7) HClO H + + ClO - (pH > 8) Khi trong nước có NH4 + sẽ xảy ra các phản ứng sau:
HClO + NH3 = H2O + NH2Cl (monocloramin) HClO +NH2Cl = H2O + NHCl2 (dicloramin) HClO + NHCl 2 = H 2 O +NCl 3 (tricloramin) Nếu dƣ Clo thì sẽ xảy ra phản ứng phân hủy cloramin:
Phản ứng giữa NH2Cl và NHCl2 tạo ra N2 và 3HCl, dẫn đến sự giảm lượng clo dư trong nước đến mức tối thiểu Hiện tượng này liên quan đến sự phân hủy của cloramin và điểm tương ứng được gọi là điểm đột biến.
Theo lý thuyết, để xử lý NH4
+ phải dùng tỉ lệ Cl:N = 7,6:1, song trong thực tế phải dùng tỉ lệ 8:1 hoặc hơn để oxy hóa hết NH 4 +
Nghiên cứu cho thấy tốc độ phản ứng của clo với các hợp chất hữu cơ chỉ bằng một nửa so với phản ứng với amoni Khi amoni gần như đã phản ứng hoàn toàn, clo dư sẽ tiếp tục phản ứng với các chất hữu cơ trong nước, tạo ra nhiều hợp chất cơclo có mùi khó chịu Khoảng 15% trong số đó là các hợp chất nhóm THM (trihalometan) và HAA (axit axetic đã bị halogen hóa), cả hai đều có khả năng gây ung thư và bị kiểm soát nồng độ nghiêm ngặt.
Việc sử dụng clo trong các nhà máy lớn đòi hỏi một lượng lớn, dẫn đến vấn đề an toàn trở nên phức tạp Điều này giải thích tại sao phương pháp clo hóa, mặc dù đơn giản và tiết kiệm về thiết bị, lại khó khăn trong việc áp dụng thực tế.
1.1.2.2 Phương pháp trao đổi ion
Quá trình trao đổi ion là một phản ứng hóa lý thuận nghịch, trong đó các ion trong dung dịch điện ly thực hiện trao đổi với các ion trên bề mặt hoặc bên trong pha rắn tiếp xúc.
Nhựa trao đổi ion dạng rắn được sử dụng để thu giữ các ion nhất định trong dung dịch và giải phóng lượng ion khác có cùng điện tích Để loại bỏ ion NH4+, nhựa trao đổi cationit có thể được áp dụng, đây là những hợp chất cao phân tử hữu cơ có nhóm chức có khả năng trao đổi, với công thức chung là RX (R là gốc hữu cơ phức tạp, X có thể là SO3H hoặc COOH) Qua cột nhựa này, các cation sẽ được giữ lại.
1.1.2.3 Phương pháp thổi khí ở pH cao
Amoni tồn tại trong nước dưới dạng cân bằng:
NH4 + ↔ NH3 (khí hòa tan) + H + (pH = 7 với pKa = 9.5)
Nhƣ vậy ở pH gần = 7 chỉ có một lƣợng nhỏ phân tử NH 3 so với ion amoni (NH4
+) Nếu nâng pH tới 9,5 tỷ lệ [NH3/NH4
Giới thiệu Bùn Đỏ
Bùn đỏ là chất thải phát sinh từ công nghệ Bayer, phương pháp chính trong tinh luyện bauxite để sản xuất nhôm Chất thải này chứa các thành phần như sắt, mangan và một lượng kiềm dư thừa từ quá trình hòa tan và tách quặng alumin.
Bôxit là nguyên liệu chính chứa 30-54% alumina (Al2O3), cùng với silica, các dạng ôxit sắt và đioxit titan Trong quá trình Bayer, bôxit được chuyển hóa bằng dung dịch natri hydroxit (NaOH) ở nhiệt độ lên tới 175°C, tạo ra hydroxit nhôm.
NaOH Al(OH)3 kết tinh + Nước
Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ Bayer
Bùn đỏ, được hình thành từ các thành phần hóa học không hòa tan trong bauxit, là một vấn đề môi trường nghiêm trọng do quá trình lọc và loại bỏ quặng đuôi Thành phần này gây ra những tác động tiêu cực tương tự như các loại quặng đuôi của khoáng sản kim loại màu, dẫn đến các vấn đề về đổ thải và ô nhiễm môi trường.
1.2.2 Đặc điểm, thành phần hóa học và tính chất vật lý
Bùn đỏ ở dạng huyền phù có tỷ trọng khối trong khoảng từ 1,2-1,3 g/m 3 , hàm lƣợng chất khô là 250-350 g/l Ở pha lỏng thì nó chứa khoảng 7g Na2O/l
Bô xít Bình áp suất
(một chất gây ô nhiễm nghiêm trọng) và có pH rất cao nằm trong khoảng 12- 13[13]
Theo nghiên cứu về bùn đỏ trong ngành công nghiệp nhôm, bùn đỏ được xác định là một chất thải phức tạp, bao gồm các hợp chất chính như Al2O3, SiO2, Fe2O3, TiO2, CaO, Na2O, P2O5, V2O5, ZnO, MgO và MnO.
Mặc dù các kim loại nặng như chì và chất phóng xạ trong bùn đỏ không gây nguy hiểm nghiêm trọng đến tính mạng con người do hàm lượng thấp, nhưng nước thải có pH cao đi kèm với bùn đỏ lại là mối nguy hiểm thực sự Nguyên nhân là do quá trình xử lý và lưu trữ bùn đỏ hiện tại, trong đó bùn đỏ được rửa nhiều lần để thu hồi kiềm Các tổ chức công nghiệp tại Mỹ và Anh cho rằng nếu được xử lý đúng cách, bùn thải này không độc hại Theo tiêu chuẩn EU, bùn đỏ từ quá trình luyện bauxite thành nhôm không được coi là chất thải độc hại Tuy nhiên, hiện tại, chưa có quốc gia nào giải quyết triệt để vấn đề bùn đỏ, và phương pháp phổ biến vẫn là chôn lấp ở những khu vực ít dân cư, ven biển để giảm thiểu tác động độc hại.
1.2.2.2 Thành phần hóa học và tính chất vật lý
Thành phần hóa học của bùn thải phụ thuộc vào loại quặng bauxit và phương pháp thu hồi nhôm oxit Bùn thải là hỗn hợp kiềm cao, chủ yếu chứa các oxit của nhôm (Al), sắt (Fe), silic (Si), titan (Ti) và một số nguyên tố vi lượng như gallium (Ga), vanadi (V), niken (Ni), magiê (Mg) và crom (Cr).
Bảng 1.2 Thành phần hóa học bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình
Thành phần Tỷ lệ (%) Thành phần Tỷ lệ (%)
Bảng 1.3 Tỷ lệ cấp hạt của Bùn Đỏ
Bảng 1.4 Tính chất vật lý
Màu sắc Đỏ cam, đỏ, đỏ nâu, nâu Độ pH 11,7 - 12,5
Kích thước hạt 70%hạt = 100 m
Diện tích bề mặt riêng 7,3 - 36,4 m 2 /g
1.2.3 Một số kết quả nghiên cứu xử lý và ứng dụng bùn đỏ trong thực tế
Nghiên cứu của Hind et al (1999) cho thấy phương pháp xử lý thông thường bùn đỏ chủ yếu dựa vào việc xây dựng đập đất sét hoặc đê để chứa bùn, chỉ cần bơm và để khô tự nhiên Mặc dù thiết kế khu vực xử lý này đơn giản và tiết kiệm chi phí, nhưng các tác giả chỉ ra rằng tác động tiềm tàng đến nước ngầm và môi trường xung quanh, cũng như những khó khăn trong việc phục hồi bề mặt, yêu cầu phải có những thay đổi quan trọng trong thực tiễn xây dựng khu xử lý [DJ Glenister, 1992] Do đó, giải pháp đã dẫn đến việc xây dựng hồ chứa gấp đôi, kết hợp màng cao phân tử với lót đất sét, cùng với một mạng lưới thoát nước để xử lý nước dư thừa.
Theo báo cáo của Al Agrawal và cộng sự, trong số 84 nhà máy alumina toàn cầu, chỉ có bảy nhà máy thực hiện xử lý bùn đỏ bằng nước biển một cách có kế hoạch do tình trạng khan hiếm đất Ngoài ra, WM Gerald cũng đã được cấp bằng sáng chế liên quan đến việc xử lý bùn đỏ, với tiêu đề "Xử lý và sử dụng bùn đỏ được tạo ra trong quá trình Bayer."
Các nhà phát minh đã đề xuất một quy trình sản xuất bùn đỏ với nồng độ kiềm thấp và hàm lượng nhôm đạt tiêu chuẩn, nhằm đảm bảo tính thân thiện với môi trường.
Vào năm 2000, Virotec International Ltd đã phát triển thành công công nghệ xử lý bùn đỏ mang tên BaseconTM và sản phẩm Bauxsol TM, sử dụng nước biển để trung hòa kiềm trong bùn đỏ Tại Ấn Độ, hồ xử lý bùn được trang bị hệ thống phun nước để giảm bụi tại bãi xử lý bùn khô Ở Trung Quốc, phần lớn bùn đỏ vẫn được chôn lấp, nhưng hiện nay khoảng 10% bùn đỏ được tái chế để thu hồi kim loại hoặc làm nguyên liệu sản xuất gạch Tại Nhật Bản, hầu hết bùn đỏ được thải ra đại dương sau khi đã trung hòa kiềm.
J Hyuna et al., 2004] Tuy nhiên, J Hyuna và cộng sự cho biết rằng công ty sản xuất nhôm tại Nhật Bản đã phát triển kỹ thuật xử lý sơ bộ cho bauxite trước khi quá trình Bayer để giảm số lƣợng của bùn đỏ thải (sáng chế Nhật Bản số Heisei
6 - 340934 năm 1994 và sáng chế Nhật Bản số Heisei 7 - 47301, 1995)
Hy Lạp hiện chỉ có một ngành công nghiệp nhôm, và phương pháp xử lý bùn đỏ đang trong quá trình chuyển đổi Tính đến năm 2006, bùn đỏ được thải ra qua đường ống tại vịnh Antikyra Hiện tại, một dự án mới đang được triển khai, tập trung vào lọc ở áp lực cao, xử lý khô và tái sử dụng bùn đỏ.
Bảng 1.5 Các ứng dụng hiện có Ứng dụng
Trong luyện kim Trong sản xuất vật liệu
+ Thu hồi các kim loại quý hiem khác nhƣ V, Ga, Sc …
+ Dùng để sản xuất xi măng Portland
+ Sản xuất chất độn nhẹ + Sản xuất tấm lợp cách âm + Sản xuất chất độn
Zeolite
Zeolit là các aluminosilicat có cấu trúc tinh thể với hệ thống mao quản rất đồng đều
Công thức hoá học của zeolit được biểu diễn dưới dạng:
Trong đó : M - kim loại hoá trị n y/x - tỷ số nguyên tử Si/Al; tỷ số này thay đổi tuỳ theo từng loại zeolit z - số phân tử H2O kết tinh trong zeolit
Ký hiệu trong móc vuông là thành phần của một ô mạng cơ sở tinh thể
Cấu trúc không gian ba chiều của zeolit được hình thành từ các tứ diện TO4 (T = Al hoặc Si), trong đó mỗi nguyên tử Al trong AlO4 có một điện tích âm do không đủ điện tích trung hòa Điều này dẫn đến việc khung mạng zeolit mang điện tích âm, được bù trừ bởi các cation M n+ nằm ngoài mạng Các tứ diện TO4 kết hợp với nhau để tạo ra các đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU, Secondary Building Unit).
Hình 1.3 Một số đơn vị cấu trúc thứ cấp của zeolit
Người ta phân loại zeolit dựa theo nhiều tiêu chí khác nhau:
- Theo nguồn gốc: gồm zeolit tự nhiên và zeolit tổng hợp
- Theo chiều hướng không gian của các kênh hình thành cấu trúc mao quản: gồm nhiều zeolit có hệ thống mao quản một chiều, hai chiều và ba chiều
Mao quản được xác định từ vòng cửa sổ do các nguyên tử oxy tạo thành, thường liên quan đến zeolit mao quản nhỏ Những zeolit này có vòng 6-8 oxy và đường kính mao quản khoảng 3-4 Å, điển hình như ZSM-5 và ZSM-11.
11, ZSM-22); zeolit mao quản rộng (vòng 12 20 oxy, = 7 trên 15A 0 , ví dụ: faujasit, mordenit, VPI-5, offretit)
Theo tỷ số Si/Al, zeolit được phân loại thành ba nhóm: nhóm có hàm lượng silic thấp (Si/Al từ 1 đến 1.5, ví dụ: A, X); nhóm có hàm lượng silic trung bình (Si/Al từ 2 đến 5, ví dụ: mordenit, chabazit, erionit, Y); và nhóm có hàm lượng silic cao (Si/Al lớn hơn 10, ví dụ: ZSM-5, silicalit).
1.3.2 Tính chất hấp thụ của Zeolite
Zeolit nổi bật với khả năng hấp phụ vượt trội nhờ vào cấu trúc tinh thể rỗng, trong đó các khoang trống chiếm khoảng 50% thể tích Diện tích bề mặt bên trong các khoang có thể đạt đến 1000 m²/g, tạo điều kiện lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ.
Zeolit có khả năng hấp phụ vượt trội ngay cả khi ở nhiệt độ cao, nhờ vào cấu trúc tinh thể bền vững Điều này cho phép zeolit được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng diễn ra ở nhiệt độ cao.
Zeolit chỉ hấp phụ các chất có kích thước phân tử nhỏ hơn kích thước cửa sổ vào tinh thể của nó, thể hiện tính hấp phụ chọn lọc, hay còn gọi là rây phân tử Các cửa sổ này có kích thước rất đồng đều, cho phép thực hiện sự trao đổi cation nhằm điều chỉnh kích thước cửa sổ tinh thể, từ đó tối ưu hóa khả năng hấp phụ các phân tử mong muốn Tính chất này được áp dụng để tách biệt các phân tử có kích thước khác nhau trong hỗn hợp.
Zeolit có khả năng hấp phụ cao ngay cả với nồng độ chất hấp phụ rất thấp, cho phép chúng hấp phụ gần như hoàn toàn các tạp chất trong quá trình phản ứng Đặc biệt, zeolit mạnh mẽ trong việc hấp phụ các chất phân cực, như nước và hydrocarbon chưa bão hòa, nhờ vào độ phân cực lớn ở các thành ngăn của bộ khung.
Zeolit có khả năng hấp phụ và hiệu ứng rây phân tử, được ứng dụng trong phân tích và tinh luyện hỗn hợp khí Việc loại bỏ tạp chất trong nguyên liệu trước sản xuất giúp giảm kích thước, bảo vệ thiết bị, tránh ngộ độc xúc tác và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Việc phát hiện và tổng hợp zeolit đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong công nghệ hóa học Ứng dụng zeolit không chỉ tăng cường số lượng và chất lượng của các quá trình mà còn nâng cao hiệu suất một cách đáng kể.
Zeolit là một vật liệu quan trọng trong xử lý môi trường, được sử dụng để hấp phụ khí thải từ các nhà máy và động cơ Bên cạnh đó, zeolit cũng có khả năng hấp phụ kim loại nặng và các độc tố hữu cơ trong nước thải công nghiệp, góp phần cải thiện chất lượng môi trường.
Zeolit là một khoáng chất quan trọng trong nông nghiệp, giúp cải tạo đất, chống lại tình trạng chua và khô cằn Nó nâng cao hiệu quả của phân bón, thuốc trừ sâu và diệt cỏ, từ đó tăng năng suất và chất lượng sản phẩm Ngoài ra, zeolit còn hỗ trợ bảo quản nông sản sau thu hoạch, làm chất vi lượng trong thức ăn gia súc và tẩy uế chuồng trại trong chăn nuôi.
Zeolit là một hợp chất quan trọng trong công nghiệp, được sử dụng làm chất lọc và sấy khô để bảo quản thực phẩm Ngoài ra, nó còn đóng vai trò là chất tách và xúc tác trong các phản ứng hóa dầu Zeolit cũng được ứng dụng trong sản xuất chất tẩy rửa và xà phòng, cũng như làm xúc tác bazơ cho quá trình điều chế nhiên liệu diesel sinh học và vật liệu từ tính.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của khóa luận này là các vật liệu hấp phụ amoni trong nước được điều chế từ bùn đỏ và cao lanh
Khóa luận tập trung vào việc xem xét khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu đƣợc điều chế từ bùn đỏ và cao lanh
Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Phổ X–Ray và mẫu SEM được chụp tại Khoa Hóa của trường Các phân tích để đánh giá kết quả nghiên cứu được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường.
Dụng cụ và hóa chất
Dụng cụ và thiết bị Hóa chất
+ Pipet 1ml, 2ml, 5ml, 10ml
+ Phễu lọc, máy đo quang
+ Giấy lọc, giấy đo pH
+ Cân điện tử, tủ sấy hóa chất và dụng cụ, máy khuấy từ,…
+ Amoni clorua ( NH4Cl) + Axit HCl 1%
+ Dung dịch H 2 SO 4 + Bùn đỏ
+ Cao lanh đã tinh chế, cao lanh phú thọ
Các phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp tổng quan tài liệu
Thu thập và tổng hợp tài liệu nghiên cứu liên quan đến việc loại bỏ amoni bằng phương pháp hấp phụ, bao gồm các nghiên cứu trong và ngoài nước Nghiên cứu về bùn đỏ và các phương pháp biến tính cũng được xem xét Từ đó, xác định các vấn đề cần giải quyết và các thí nghiệm cần thiết cho khóa luận.
Nghiên cứu và lý giải các số liệu thực nghiệm
Tìm hiểu tài liệu và quy trình xử lý nước rác là cần thiết để nắm rõ hiện trạng và phương pháp loại bỏ amoni từ dòng thải Điều này giúp đảm bảo rằng nước thải được xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép trước khi thải vào nguồn tiếp nhận.
2.3.2 Các phương pháp thực nghiệm
2.3.2.1 Điều chế các vật liệu hấp phụ
Mẫu 1 (M1): Bùn đỏ thô, đƣợc sấy khô ở 120 o C, trong 24h
Mẫu 2 (M2): Bùn đỏ biến tính
Bước 1: Bùn đỏ khô được giã thành hạt có kích thước nhỏ, sau đó được cho thêm nước cất thành một hỗn hợp bùn đặc
Bước 2: Hỗn hợp trên được cho thêm NaOH để nồng độ kiềm trong bùn đỏ là 11%, sau đó đƣợc đem đun cách thủy trong vòng 24h ở nhiệt độ trong khoảng ≤ 100 o C
Bước 3: Bùn đỏ sau khi được đun cách thủy đem đi rửa lại bằng nước cất để đưa về trung tính, lọc qua giấy lọc và đem sấy khô ở 115 o C
Bước 4: Giã bùn đỏ đã được sấy khô thành những hạt có kích thước từ 0,5-1 mm làm vật liệu dùng để nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni
Mẫu 3 (M3): Dịch lọc ( Bùn đỏ + dung dịch H2SO4 7%) và cao lanh tinh chế
Bùn đỏ nguyên gốc khô được nghiền thành các hạt nhỏ, sau đó trộn với dung dịch H2SO4 7% để hòa tan Quá trình này diễn ra trong 2 giờ, sau đó để dung dịch lắng xuống và lọc để thu được dịch trong.
Để thực hiện bước 2, bạn cần lấy dịch lọc và hòa tan dung dịch NaOH 12,8% vào cao lanh tinh chế Tiến hành khuấy dung dịch trong 2 giờ ở nhiệt độ phòng, sau đó để yên trong bình cầu trong 24 giờ.
Bước 3: Đun cách thủy hỗn hợp với sinh hàn hồi lưu ở nhiệt độ tối thiểu 90°C trong 5 giờ Sau khi đun xong, để nguội, gạn nước bề mặt và rửa sản phẩm bằng nước cất cho đến khi đạt pH = 8 Cuối cùng, lọc qua giấy lọc và sấy khô ở 120°C.
Bước 4: Giã sản phẩm đã được sấy khô thành những hạt có kích thước nhỏ làm vật liệu hấp phụ để nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni
2.3.2.2 Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ
Phần này trình bày các nghiên cứu về thời gian cân bằng hấp phụ, ảnh hưởng của pH và nồng độ amoni đến hiệu quả xử lý amoni của các vật liệu đã được điều chế Bên cạnh đó, chúng tôi cũng xác định tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu thông qua phương pháp tĩnh.
Chuẩn bị 3 mẫu để lắc trong các khoảng thời gian 1h, 1.5h, 2h, 2.5h, 3h, 3.5h, 4h, 4.5h, 5h Mỗi mẫu thực nghiệm tiến hành nhƣ sau:
- Cân 1g vật liệu đã chuẩn bị nhƣ mục 2.3.2.1 cho vào bình nón 250ml, thêm 150ml NH 4 + nồng độ 100 mg/l
- Đem các bình nón trên đi lắc trong các khoảng thời gian khác nhau
- Sau khi lắc, gạn lấy phần nước trong và đem li tâm, sau đó lọc lại bằng giấy lọc để đƣợc dung dịch trong suốt
Hút 1ml mẫu đã lọc định mức vào bình 25ml, sau đó lấy 1ml dung dịch đã định mức cho vào ống nghiệm và thêm 4ml nước cất Tiếp theo, lần lượt thêm các loại thuốc thử như đã mô tả trong mục 2.3.3.1.b.
- Để yên 5 phút và đem đi đo quang ở bước sóng 694nm b) Ảnh hưởng của pH
Chuẩn bị mẫu để lắc ở các pH: 3, 4, 6, 7 Mỗi mẫu thực nghiệm tiến hành nhƣ sau:
Cân 0,5g vật liệu đã chuẩn bị và cho vào bình nón 250ml, sau đó thêm 100ml dung dịch NH4+ với nồng độ 100 mg/l Tiến hành điều chỉnh pH đến giá trị mong muốn bằng axit HCl 0,1N Cuối cùng, lắc các mẫu đã chuẩn bị trong 3 giờ để đảm bảo phản ứng diễn ra hiệu quả.
- Mẫu sau lắc đƣợc gạn lấy phần trong để đi li tâm Sau đó lọc lại bằng giấy lọc để đƣợc dung dịch trong suốt
- Hút 1ml mẫu sau lọc cho vào bình định mức 25ml, định mức đến vạch
Hút 1ml mẫu từ bình định mức 25ml và cho vào ống nghiệm, sau đó thêm 4ml nước cất Tiếp theo, lần lượt cho các hóa chất theo phần a, để yên trong 5 phút trước khi đo quang ở bước sóng 694nm để đánh giá ảnh hưởng của nồng độ amoni.
Chuẩn bị 6 mẫu để lắc ở các khoảng nồng độ: 25 mg/l, 50 mg/l, 75 mg/l, 100 mg/l, 150 mg/l, 200 mg/l Mỗi mẫu thực nghiệm đƣợc tiến hành nhƣ sau:
- Cân 0,5g vật liệu cho vào bình nón 250ml Pha ở mỗi khoảng nồng độ với thể tích 100ml và cho vào bình nón
- Đem các mẫu đã chuẩn bị đi lắc trong thời gian là 3h
- Mẫu sau lắc đƣợc tiếp tục tiến hành thí nghiệm giống nhƣ xác định ảnh hưởng của pH
2.3.2.3 Nghiên cứu xác định tải trọng hấp phụ cực đại theo phương pháp động
Quá trình hấp phụ động được thực hiện nhằm nghiên cứu khả năng xử lý amoni thực tế của vật liệu Vật liệu nghiên cứu bao gồm dịch lọc bùn đỏ kết hợp với cao lanh tinh chế (M3).
Các thông số của hệ thống lọc
- Cột lọc được sử dụng là ống nhựa có đường kính d = cm Chiều cao cột lọc là 25cm.Có van điều chỉnh tốc độ nước đầu ra ở dưới
- Kích thước hạt của vật liệu là: 0.5 - 1mm
Khối lượng vật liệu nhồi vào cột lọc là 1g, tương đương với chiều dày 1cm Lưu ý rằng vật liệu lọc cần được ngâm ít nhất 8 giờ trong nước cất để loại bỏ khí, hoặc có thể sử dụng máy hút chân không để đuổi khí trước khi nhồi vào cột.
- Chiều cao cột nước chính là chiều dày của lớp vật liệu lọc
Cột lọc được thiết kế theo hệ chảy gián đoạn, cho phép khóa van nước đầu ra khi không hoạt động Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả, vật liệu lọc không được để khô, vì vậy cột luôn cần phải chứa nước.
Hình 2.1 Hệ thống cột lọc
Chú thích: 1: Vật liệu lọc dịch bùn đỏ + Cao lanh tinh chế
2.3.3.1 Phương pháp xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu a) Phương pháp kính hiển vi điện tử quét
Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) là công cụ nghiên cứu hiệu quả, cho phép phân tích hình thể, kích thước và hình dạng vi tinh thể với độ phóng đại cao và hình ảnh sắc nét SEM hoạt động bằng cách chiếu một chùm electron năng lượng cao (0,5 ÷ 35kV) lên bề mặt mẫu vật, từ đó tạo ra các hạt thứ cấp Những hạt này được phát hiện và chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó được khuyếch đại và hiển thị trên ống tia catot để tạo ra hình ảnh chi tiết.
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét
Phương pháp SEM giúp xác định kích thước trung bình và hình dạng tinh thể của các hạt, cùng với các vật liệu có cấu trúc tinh thể khác Bên cạnh đó, phương pháp nhiễm xạ Rơnghen cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích cấu trúc tinh thể.
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) cung cấp thông tin quan trọng về các pha tinh thể trong mẫu, độ hoàn thiện của tinh thể và kích thước hạt Đặc biệt, đối với vật liệu nano, XRD là công cụ hữu ích để xác định kích thước tinh thể một cách chính xác.
X là phương pháp nhanh, không làm hỏng mẫu và đã được thử nghiệm từ lâu