Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Biến tính vật liệu bùn đỏ bằng chitosan, ứng dụng loại bỏ ion kim loại chì và niken

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:102

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Hóa học "Biến tính vật liệu bùn đỏ bằng chitosan, ứng dụng loại bỏ ion kim loại chì và niken" trình bày các nội dung chính sau: Tổng hợp được vật liệu bùn đỏ biến tính bằng chitosan có khả năng loại bỏ các ion kim loại Pb(II) và Ni(II) có trong dung dịch nước.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Biến tính vật liệu bùn đỏ bằng chitosan, ứng dụng loại bỏ ion kim loại chì và niken

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --------------------------------- Lưu Thị Thủy BIẾN TÍNH VẬT LIỆU BÙN ĐỎ BẰNG CHITOSAN, ỨNG DỤNG LOẠI BỎ ION KIM LOẠI CHÌ VÀ NIKEN LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA VÔ CƠ TP. HCM – 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --------------------------------- Lưu Thị Thủy BIẾN TÍNH VẬT LIỆU BÙN ĐỎ BẰNG CHITOSAN, ỨNG DỤNG LOẠI BỎ ION KIM LOẠI CHÌ VÀ NIKEN Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA VÔ CƠ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hướng dẫn 1: TS. Đinh Văn Phúc Hướng dẫn 2: PGS.TS. Trần Ngọc Quyển TP. HCM – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất cứ một luận văn nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận văn Lưu Thị Thủy i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Đinh Văn Phúc và PGS.TS. Trần Ngọc Quyển, là những người Thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn tất cả Quý Thầy, Cô trong và ngoài Viện Hàn lâm Khoa học và Công Nghệ Việt Nam đã tận tình chỉ bảo, truyền dạy cho tôi những kiến thức bổ ích, quý báu trong suốt thời gian theo học tại học viện. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các cán bộ nhân viên thuộc Trung tâm Thiết bị Khoa học và Phân tích Sinh Hóa lý, Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện đề tài. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, cùng các Thầy, Cô của phòng sau đại học, phòng đào tạo, văn phòng khoa đã giải quyết các thủ tục hành chính để tôi có điều kiện hoàn thành luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy, các anh, chị phòng thí nghiệm FM&D – Trường Đại học Duy Tân, cùng với các Thầy, Cô, các bạn sinh viên trong phòng thí nghiệm Hóa phân tích, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và các anh chị học viên lớp Hóa vô cơ 2019A đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn sát cánh và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. TP.HCM, ngày 12 tháng 04 năm 2021 Học viên Lưu Thị Thủy ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng anh Tên tiếng việt Atomic Absorption AAS Phổ hấp thụ nguyên tử Spectrophotometric ALA Aminolevulinic Acid Aminolevulinic Acid Enzyme Delta- Enzyme Delta- ALAD Aminolevulinic Acid Aminolevulinic Acid Dehydratase Dehydratase Bùn đỏ xử lý bằng ARM Acid Activated Red mud axit clohydric Acid-treated activated ATARM Bùn đỏ xử lý bằng axit red mud Đẳng nhiệt hấp phụ- BET Brunauer-Emmett-Teller giải hấp nitơ Bùn đỏ biến tính bởi Ce-RM Ce-Red mud xeri oxit CS Chitosan Chitosan Phổ tán sắc năng lượng EDX Energy-Dispersive X-ray tia X Bùn đỏ đồng nhiệt phân với Fe-C-CO2 Red mud-Biochar-CO2 vỏ cam trong môi trường cacbon dioxit Bùn đỏ đồng nhiệt phân với Fe-C-N2 Red mud-Biochar-N2 vỏ cam trong môi trường nitơ iii
Fourier-transform infrared Phổ hồng ngoại biến đổi FT-IR spectroscopy Fourier HS Enzyme Heme Synthetase Enzyme Heme Synthetase Iron oxide-coated acid- Bùn đỏ xử lý bằng axit và IOCATARM treated activated red mud phủ oxit sắt từ La-RM La-Red mud Bùn đỏ biến tính bởi lantan Bùn đỏ biến tính bởi Mg-RM Mg-Red mud magie clorua MG5 Methylene Green5 Methylene Green5 pHPZC pH Point of Zero Charge pH tại điểm đẳng điện RM Red mud Bùn đỏ RM/CS Red mud/Chitosan Bùn đỏ/Chitosan RM500 Red mud 500 ℃ Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 500 ℃ Bùn đỏ được trộn với laterit RS-10 Red mud/Laterit/Silicagel-10 và silicagel với tỉ lệ 45 : 45 : 10 Bùn đỏ được trộn với laterit RS-15 Red mud/Laterit/Silicagel-15 và silicagel với tỉ lệ 42,5 : 42,5 : 15 Bùn đỏ được trộn với laterit RS-5 Red mud/Laterit/Silicagel-5 và silicagel với tỉ lệ 47,5 : 47,5 : 5 iv
Scanning Electron SEM Kính hiển vi điện tử quét Microscope Bùn đỏ được trộn với laterit TC-20 Red mud/Laterit/Silicagel-20 và silicagel với tỉ lệ 40 : 40 : 20 Thermal Gravimetric Phân tích nhiệt trọng lượng TG-DSC Analysis-Differential và phân tích nhiệt vi sai scanning calorimetry Thermal treatment of Red TRM Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 600 ℃ mud X-Ray Photoelectron XPS Phổ quang điện tử tia X spectroscopy XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X v
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1. Thành phần các loại khoáng chính trong quặng bôxit .................... 4 Bảng 1. 2. Thành phần hóa học của bùn đỏ ..................................................... 4 Bảng 1. 3. Một số hằng số lý học quan trọng của chì .................................... 14 Bảng 1. 4. Một số hằng số lý học quan trọng của niken ................................ 17 Bảng 2. 1. Tỉ lệ khối lượng chitosan và bùn đỏ .............................................. 35 Bảng 2. 2. Điều kiện đo phổ xác định hàm lượng nguyên tố chì và niken theo phương pháp F-AAS ....................................................................................... 39 Bảng 3. 1. Ảnh hưởng của tỉ lệ chitosan đến diện tích bề mặt của vật liệu .... 40 Bảng 3. 2. Thành phần nguyên tố có trong Chitosan, Bùn đỏ và RM/CS ...... 42 Bảng 3. 3. Các giá trị hằng số động học của quá trình hấp phụ Ni(II) ........... 51 Bảng 3. 4. Các giá trị hằng số đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ Ni(II) ở các nhiệt độ khác nhau .......................................................................................... 57 Bảng 3. 5. Các giá trị hằng số động học của quá trình hấp phụ Pb(II) ........... 62 Bảng 3. 6. So sánh khả năng hấp phụ Ni(II) bởi các vật liệu khác nhau ........ 66 Bảng 3. 7. So sánh khả năng hấp phụ Pb(II) bởi các vật liệu khác nhau ........ 67 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Hình ảnh của bùn đỏ ....................................................................... 3 Hình 1. 2. Cấu trúc của chitin và chitosan ..................................................... 11 Hình 1. 3. Các ứng dụng của chitosan ........................................................... 12 Hình 1. 4. Các cơ chế hấp phụ MG5 được đề xuất cho các chất hấp thụ sinh học khác nhau......................................................................................................... 23 Hình 1. 5. Cơ chế hấp phụ thuốc nhuộm trên vật liệu composite CS – La3+ - MMT ............................................................................................................... 24 Hình 1. 6. Các cơ chế được đề xuất để hấp phụ Cd(II) trên vật liệu ATPCFS- CSEs ................................................................................................................ 25 Hình 2. 1. Quy trình tổng hợp vật liệu RM/CS ............................................... 34 Hình 3. 1. Phổ ghép XRD của Bùn đỏ (a), Chitosan (b) và RM/CS (c) ......... 41 Hình 3. 2. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố EDX của chitosan (a), bùn đỏ (b) và RM/CS (b) ....................................................................................... 41 Hình 3. 3. Ảnh SEM của chitosan (a, d), bùn đỏ (b, e), RM/CS (c, f) ở các độ phóng đại khác nhau 2000 lần và 20 000 lần .................................................. 43 Hình 3. 4. Phổ ghép FT-IR của Chitosan, Bùn đỏ và RM/CS ........................ 44 Hình 3. 5. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng TGA-DTG của Bùn đỏ trước và sau khi biến tính bằng Chitosan ...................................................................... 45 Hình 3. 6. Điểm đẳng điện của vật liệu RM/CS ............................................. 46 Hình 3. 7. Đồ thị đường chuẩn xác định hàm lượng niken ............................. 47 Hình 3. 8. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni(II) của vật liệu RM/CS ......................................................................................................................... 48 Hình 3. 9. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng hấp phụ Ni(II) của vật liệu RM/CS...................................................................................................... 49 Hình 3. 10. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ Ni(II) của vật liệu RM/CS ......................................................................................... 50 vii
Hình 3. 11. Đồ thị động học hấp phụ Ni(II) bởi vật liệu RM/CS ................... 51 Hình 3. 12. Mối liên hệ giữa Qe và căn bậc hai của thời gian t1/2 ................... 52 Hình 3. 13. Phổ FT-IR của vật liệu trước và sau hấp phụ Ni(II) .................... 53 Hình 3. 14. Phổ XRD của vật liệu trước và sau hấp phụ Ni(II)...................... 54 Hình 3. 15. Phổ TG-DSC của vật liệu trước và sau hấp phụ Ni(II)................ 54 Hình 3. 16. Đồ thị đẳng nhiệt hấp phụ Ni(II) ở các nhiệt độ khác nhau......... 56 Hình 3. 17. Đồ thị đường chuẩn xác định hàm lượng chì ............................... 58 Hình 3. 18. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb(II) của vật liệu RM/CS ......................................................................................................................... 59 Hình 3. 19. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng hấp phụ Pb(II) của vật liệu RM/CS ................................................................................................ 59 Hình 3. 20. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ Pb(II) của vật liệu RM/CS ......................................................................................... 60 Hình 3. 21. Đồ thị động học hấp phụ Pb(II) bởi vật liệu RM/CS ................... 61 Hình 3. 22. Mối liên hệ giữa Qe và căn bậc hai của thời gian t1/2 ................... 63 Hình 3. 23. Dung lượng hấp phụ của vật liệu RM/CS ở các nồng độ đầu Pb(II) khác nhau......................................................................................................... 64 Hình 3. 24. Phổ FT - IR của vật liệu trước và sau hấp phụ Pb(II) .................. 65 Hình 3. 25. Phổ XRD của vật liệu trước và sau hấp phụ Pb(II) ..................... 65 Hình 3. 26. Phổ TG-DSC của vật liệu trước và sau hấp phụ Pb(II) ............... 66 viii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................... vii MỤC LỤC ........................................................................................................ ix MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÙN ĐỎ VÀ BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH ...... 3 1.1.1. Bùn đỏ ..................................................................................................... 3 1.1.1.1. Giới thiệu về vật liệu bùn đỏ ................................................................ 3 1.1.1.2. Thành phần hóa học và đặc điểm của bùn đỏ ...................................... 4 1.1.1.3. Xử lý và tác động môi trường của bùn đỏ ........................................... 5 1.1.1.4. Một số kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ của vật liệu bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam .................................................................................. 6 1.1.2. Bùn đỏ biến tính ...................................................................................... 7 1.1.2.1. Xử lý bằng axit ..................................................................................... 7 1.1.2.2. Xử lý bằng nhiệt ................................................................................... 8 1.1.2.3. Các phương pháp trung hòa khác......................................................... 8 1.1.2.4. Một số kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ của vật liệu bùn đỏ biến tính trên thế giới và Việt Nam ................................................................... 9 1.2. TỔNG QUAN VỀ CHITOSAN .............................................................. 11 1.2.1. Giới thiệu về vật liệu chitosan .............................................................. 11 1.2.2. Cấu trúc của chitosan ............................................................................ 11 ix
1.2.3. Tính chất của chitosan........................................................................... 12 1.2.4. Ứng dụng của chitosan .......................................................................... 12 1.3. TỔNG QUAN VỀ KIM LOẠI CHÌ ........................................................ 14 1.3.1. Giới thiệu về kim loại chì ..................................................................... 14 1.3.2. Tính chất của kim loại chì .................................................................... 14 1.3.2.1. Tính chất vật lý................................................................................... 14 1.3.2.2. Tính chất hóa học ............................................................................... 14 1.3.3. Ứng dụng của kim loại chì .................................................................... 15 1.3.4. Ảnh hưởng của chì đến sức khỏe con người ........................................ 15 1.4. TỔNG QUAN VỀ KIM LOẠI NIKEN ................................................... 16 1.4.1. Giới thiệu về kim loại niken ................................................................. 16 1.4.2. Tính chất của kim loại niken ................................................................ 17 1.4.2.1. Tính chất vật lý................................................................................... 17 1.4.2.2. Tính chất hóa học ............................................................................... 18 1.4.3. Ứng dụng của kim loại niken ............................................................... 18 1.4.4. Ảnh hưởng của niken đến sức khỏe con người và môi trường ............. 18 1.5. MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHÌ VÀ NIKEN HIỆN NAY ......................................................................................................................... 19 1.6. SỰ HẤP PHỤ .......................................................................................... 20 1.6.1. Khái niệm về sự hấp phụ ...................................................................... 20 1.6.2. Cơ chế hấp phụ ...................................................................................... 22 1.6.2.1. Hấp phụ vật lý .................................................................................... 22 1.6.2.2. Hấp phụ hóa học................................................................................. 24 1.6.3. Cân bằng đẳng nhiệt hấp phụ ................................................................ 25 1.6.3.1. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir .................................................... 26 x
1.6.3.2. Mô hình đẳng nhiệt Freundlich .......................................................... 27 1.6.3.3. Mô hình đẳng nhiệt Sips .................................................................... 28 1.6.4. Động học hấp phụ ................................................................................ 29 1.6.4.1. Phương trình động học biểu kiến bậc 1 ............................................. 30 1.6.4.2. Phương trình động học biểu kiến bậc 2 ............................................. 30 1.6.4.3. Phương trình khuếch tán nội hạt ........................................................ 31 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... ......................................................................................................................... 33 2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ ................... 33 2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất ............................................................................ 33 2.1.2. Thiết bị và dụng cụ ................................................................................ 33 2.2. THỰC NGHIỆM ...................................................................................... 34 2.2.1. Tổng hợp vật liệu bùn đỏ/chitosan (RM/CS) ........................................ 34 2.2.2. Nghiên cứu sự hấp phụ Pb(II) và Ni(II) của vật liệu RM/CS ............... 35 2.2.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH ............................................................... 35 2.2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng thời gian ............................................................ 35 2.2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng khối lượng vật liệu ............................................ 35 2.2.3. Phương pháp nghiên cứu đặc trưng, tính chất của vật liệu ................... 36 2.2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................... 36 2.2.3.2. Phương pháp xác định hình thái học bề mặt bằng hiển vi điện tử quét (SEM) .............................................................................................................. 36 2.2.3.3. Phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR) .......................................... 37 2.2.3.4. Phương pháp xác định diện tích bề mặt (BET – BJH) ...................... 37 2.2.3.5. Phương pháp phân tích khối lượng nhiệt (TG – DSC) ...................... 37 2.2.3.6. Xác định pH tại điểm đẳng điện tích (pHPZC) .................................... 38 xi
2.2.4. Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) .............. 38 2.2.4.1. Các kỹ thuật đo và ghi phổ................................................................. 38 2.2.4.2. Phương pháp đường chuẩn................................................................. 39 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 40 3.1. ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU .................................................................. 40 3.1.1. Diện tích bề mặt .................................................................................... 40 3.1.2. Cấu trúc của vật liệu .............................................................................. 40 3.1.3. Thành phần nguyên tố ........................................................................... 41 3.1.4. Hình thái của vật liệu ............................................................................ 42 3.1.5. Đặc trưng liên kết trong vật liệu ........................................................... 43 3.1.6. Đặc tính nhiệt của vật liệu..................................................................... 44 3.1.7. Đặc tính điện tích của bề mặt vật liệu ................................................... 45 3.2. SỰ LOẠI BỎ ION KIM LOẠI NIKEN (II) TỪ DUNG DỊCH NƯỚC BỞI VẬT LIỆU RM/CS ......................................................................................... 47 3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ Ni(II) của vật liệu RM/CS ......................................................................................................................... 47 3.2.1.1. Xây dựng đường chuẩn xác định Ni(II) bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử bằng kỹ thuật ngọn lửa (F-AAS) ................................................... 47 3.2.1.2. Ảnh hưởng của pH ............................................................................. 47 3.2.1.3. Ảnh hưởng của thời gian .................................................................... 48 3.2.1.4. Ảnh hưởng của khối lượng ................................................................ 49 3.2.2. Nghiên cứu động học hấp phụ .............................................................. 50 3.2.3. Đề xuất cơ chế loại bỏ Ni(II) bởi vật liệu RM/CS ................................ 52 3.2.4. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ ............................................................ 55 3.3. SỰ LOẠI BỎ ION KIM LOẠI CHÌ (II) TỪ DUNG DỊCH NƯỚC BỞI VẬT LIỆU RM/CS ......................................................................................... 57 xii
3.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ Pb(II) của vật liệu RM/CS ......................................................................................................................... 57 3.3.1.1. Xây dựng đường chuẩn xác định Pb(II) bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử bằng kỹ thuật ngọn lửa (F-AAS) ................................................... 57 3.3.1.2. Ảnh hưởng của pH ............................................................................. 58 3.3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian .................................................................... 59 3.3.1.4. Ảnh hưởng của khối lượng ................................................................ 60 3.3.2. Nghiên cứu động học hấp phụ .............................................................. 61 3.3.3. Đề xuất cơ chế loại bỏ Pb(II) bởi vật liệu RM/CS ................................ 62 3.4. SO SÁNH KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA VẬT LIỆU RM/CS VỚI CÁC VẬT LIỆU KHÁC .......................................................................................... 66 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................. 68 CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ......................................................................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 71 PHỤ LỤC xiii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp đã dẫn đến chất lượng môi trường ngày càng suy giảm, đặc biệt là môi trường nước. Nước thải công nghiệp chứa nhiều kim loại nặng, độc như thủy ngân, asen, chì, niken, … cũng như một số hợp chất hữu cơ và vô cơ độc hại khác. Chì và niken là một trong những chất gây ô nhiễm phổ biến và độc hại nhất trong số các kim loại nặng, chúng có thể xâm nhập vào các nguồn nước thông qua các hoạt động sản xuất như: đốt nhiên liệu hóa thạch, luyện quặng sunfua và các hoạt động công nghiệp khác như mạ kim loại, lọc dầu và sản xuất pin [1, 2]. Chì và niken không bị phân hủy trong môi trường và có thể tích tụ ở xương, não, thận và cơ. Ngộ độc chì và niken có thể gây ra nhiều rối loạn nghiêm trọng như thiếu máu, bệnh thận, rối loạn thần kinh và thậm chí tử vong [3, 4]. Do đó, việc nghiên cứu loại bỏ chì và niken trong nước thải đã và đang nhận được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Các phương pháp như trao đổi ion, thẩm thấu ngược, kết tủa và hấp phụ đã được áp dụng rộng rãi để loại bỏ các kim loại này ra khỏi các nguồn nước thải [1]. Trong đó, hấp phụ là phương pháp được sử dụng nhiều nhất vì có hiệu quả cao, chi phí thấp và có khả năng tái sử dụng vật liệu nhiều lần [5]. Hiện nay, quá trình sản xuất nhôm từ quặng bôxit đã thải ra một lượng lớn bùn đỏ. Ước tính hiện nay có hơn 2,7 tỷ tấn bùn đỏ được thải ra trên toàn thế giới [6]. Bùn đỏ có tính kiềm cao, thành phần chủ yếu là các oxit Fe2O3, Al2O3, SiO2, Na2O và CaO, cùng một lượng nhỏ các nguyên tố như V, Ti, Zr, Se, Ga, Ba, K, Li, Mn và Co, tùy thuộc vào nguồn thải bùn đỏ [7, 8]. Bùn đỏ là một chất hấp phụ tiềm năng vì tính ổn định hóa học, cơ học. Do đó, bùn đỏ có thể được sử dụng để loại bỏ nhiều kim loại nặng độc hại khỏi nước thải công nghiệp [7]. Để nâng cao khả năng ứng dụng của bùn đỏ, chúng thường được hoạt hóa bằng axit [2] hoặc xử lý nhiệt [9]. Chitosan (CS) được tổng hợp từ chitin và là thành phần chính cấu tạo nên vỏ động vật giáp xác như tôm, cua [10]. CS được coi là một nguyên liệu rẻ tiền vì chitin là nguồn tài nguyên phong phú đứng thứ hai trong tự nhiên bên 1
cạnh cellulose [10]. CS được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước thải và y tế do tính chất không độc hại, có khả năng phân hủy sinh học cao, có khả năng kháng khuẩn và tương thích sinh học [11]. Ngoài ra, một lượng lớn các nhóm amino (-NH2) và hydroxyl (-OH) trong cấu trúc phân tử của CS giúp CS dễ dàng tạo phức với một số ion kim loại và các nhóm chức này cũng đóng vai trò như các tâm hấp phụ trong vật liệu [6, 8]. Từ những lý do nói trên, bùn đỏ được nghiên cứu biến tính bằng chitosan nhằm nâng cao khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng. Ngoài ra, việc tận dụng bùn đỏ góp phần giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường, kết hợp với CS là một nguồn nguyên liệu rẻ, thân thiện hứa hẹn sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao. Từ những lý do nói trên, chúng tôi mong muốn được thực hiện đề tài: “Biến tính vật liệu bùn đỏ bằng chitosan, ứng dụng loại bỏ ion kim loại chì và niken”. 2. Mục đích của đề tài Tổng hợp được vật liệu bùn đỏ biến tính bằng chitosan có khả năng loại bỏ các ion kim loại Pb(II) và Ni(II) có trong dung dịch nước. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu bùn đỏ biến tính bằng chitosan có khả năng loại bỏ Pb(II) và Ni(II). Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm và khả năng loại bỏ ion kim loại Pb(II) và Ni(II) trong dung dịch nước. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Về mặt lý thuyết, đây là một hướng nghiên cứu khoa học cơ bản trong lĩnh vực vật liệu vô cơ. Kết quả nghiên cứu đóng góp về mặt lý luận cho việc giải thích cơ chế của quá trình hấp phụ các ion kim loại Pb(II) và Ni(II) trên vật liệu bùn đỏ biến tính bằng chitosan. Về mặt thực tiễn, những kết quả của đề tài sẽ đóng góp cho việc tạo ra vật liệu mới trong quá trình loại bỏ ion Pb(II) và Ni(II), định hướng trong việc xử lý ô nhiễm kim loại nặng có trong các dung dịch nước. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÙN ĐỎ VÀ BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH 1.1.1. Bùn đỏ 1.1.1.1. Giới thiệu về vật liệu bùn đỏ Hình 1. 1. Hình ảnh của bùn đỏ [12] Bùn đỏ là tên gọi của một chất thải rắn được tạo ra trong quá trình tinh luyện quặng bôxit. Bôxit là một loại quặng có chứa hàm lượng nhôm cao nên được dùng để sản xuất nhôm. Thành phần các loại khoáng chính trong quặng bôxit được trình bày trong Bảng 1.1 [6]. Thành phần khoáng của bùn đỏ phụ thuộc vào thành phần hóa học của quặng bôxit ban đầu và quy trình sản xuất nhôm từ quặng bôxit. Nhìn chung, có hai quy trình sản xuất nhôm từ quặng bôxit: quy trình thiêu kết và quy trình Bayer, trong đó quy trình Bayer được sử dụng khá phổ biến, có khoảng 95% sản lượng alumin được sản xuất theo quy trình này. Cụ thể, quy trình này sử dụng natri hydroxit để hòa tan nhôm silicat có trong quặng bôxit. 3
Bảng 1. 1. Thành phần các loại khoáng chính trong quặng bôxit [6] Nguyên tố Công thức ô mạng Khoáng (quy theo oxit) cơ sở Boehmite -AlO(OH) Al2O3 Gibbsite Al(OH)3 Diaspore -AlO(OH) Goethite -FeO(OH) Fe2O3 Hematite -Fe2O3 Anatase TiO2 TiO2 Ilmenite FeTiO3 hoặc FeO.TiO2 SiO2 Kaolinite Si4Al4O10(OH)8 1.1.1.2. Thành phần hóa học và đặc điểm của bùn đỏ * Thành phần hóa học Thành phần hóa học của bùn đỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: vị trí của mỏ quặng, loại quặng bôxit và các thông số của quy trình chế biến Bayer. Thành phần các oxit chính trong bùn đỏ được trình bày trong Bảng 1.2 [6]. Bảng 1. 2. Thành phần hóa học của bùn đỏ [6] Thành phần Phần trăm khối lượng (%) Fe2O3 30-60 Al2O3 10-20 SiO2 3-50 Na2O 2-10 CaO 2-8 * Đặc điểm Một trong những yếu tố gây khó khăn trong việc xử lý bùn đỏ là độ pH vì bùn đỏ có độ pH cao từ 10 đến 13. Trữ lượng bùn đỏ trên toàn thế giới là hơn 2,70 tỷ tấn. Sự phân bố kích thước hạt của bùn đỏ thường nhỏ hơn 75 m đối với 90% khối lượng của bùn đỏ. Diện tích bề mặt của bùn đỏ khoảng 10-30 m2/g, phụ thuộc vào mức độ nghiền của quặng bôxit. 4
1.1.1.3. Xử lý và tác động môi trường của bùn đỏ Thông thường, để sản xuất 1 tấn alumin thì lượng bùn đỏ thải ra khoảng 1,0 đến 1,5 tấn. Do đó, các nhà máy sản xuất alumin đã và đang phải đối mặt với một vấn đề lớn về việc xử lý bùn đỏ. Ngày nay, xếp chồng khô là một trong những phương pháp phổ biến nhất để thải bùn đỏ. Xử lý bùn đỏ bằng phương pháp này có ưu điểm là an toàn, ổn định, không yêu cầu diện tích đất lớn. Một số nhà máy sản xuất alumin khác đã xử lý bùn đỏ bằng cách thải xuống biển do không đủ diện tích đất. Việc xử lý bùn đỏ không hợp lý đã gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường đất, nước và không khí. Một số hợp chất hòa tan trong bùn đỏ như Na2CO3, NaOH, NaHCO3 có thể hòa tan với nước mưa gây ô nhiễm môi trường đất và sông hồ. Hơn nữa, bùn đỏ có kích thước rất nhỏ, khi khô bụi bùn đỏ có khả năng phát tán vào không khí. Do đó, bùn đỏ có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và môi trường sinh thái. Một trong những thảm họa nghiêm trọng liên quan đến bùn đỏ làm rung động cả thế giới đã xảy ra ở Hungary vào ngày 04 tháng 10 năm 2010, khi đập chứa bùn đỏ của nhà máy alumin Ajka bị vỡ dẫn đến khu vực xung quanh bị ngập trong bùn đỏ. Lượng bùn đỏ được thải ra ước tính khoảng một triệu mét khối. Hậu quả là 9 người đã thiệt mạng và 122 người bị thương. Khoảng 40 km2 đất nông nghiệp dọc theo dòng sông Marca và Danube bị ảnh hưởng nặng nề bởi thảm họa này. Ngoài những ảnh hưởng trực tiếp, sự cố này còn gây tác hại lâu dài đối với môi trường đất, nước và không khí ở những khu vực bị ô nhiễm bởi bùn đỏ. Mặc dù việc xây dựng hồ đập đã được tính toán một cách cẩn thận để đảm bảo độ an toàn nhất nhưng cũng khó lường hết các rủi ro có thể xảy ra. Do vậy, việc nghiên cứu đưa ra các giải pháp để xử lý bùn đỏ một cách triệt để là một vấn đề hết sức cần thiết cũng như là góp phần làm giảm tác động của bùn đỏ đến môi trường [6]. 5