Nghiên cứu chế độ hoạt hóa bentonit bằng nhiệt làm vật liệu hấp phụ chất phóng xạ

NGHIÊN CỨU CHẾ Độ HOạT HóA BENTONIT<br /> BằNG NHIỆT LÀm VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẤT PHóNG Xạ<br /> Nguyễn Thúy Lan (1)<br /> <br /> Đinh Văn Tôn<br /> Thân Văn Liên2<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa vật liệu khoáng sét bentonit tới<br /> đặc trưng của vật liệu và khả năng hấp phụ chất phóng xạ U, Th và kim loại nặng Fe, Mn lên vật liệu. Kết quả<br /> cho thấy, ở chế độ hoạt hóa nhiệt dao động trong khoảng 500oC trong thời gian 2 giờ thì vật liệu vừa hấp phụ<br /> có hiệu quả các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng, vừa đảm bảo tính kinh tế khi vật liệu được đưa vào sản<br /> xuất ở quy mô công nghiệp.<br /> Từ khóa: Hoạt hóa nhiệt, Phóng xạ, Vật liệu hấp phụ, Bentonit.<br /> <br /> <br /> 1. Mở đầu xạ U, Th và kim loại nặng Fe, Mn lên vật liệu, từ đó lựa<br /> Vật liệu hấp phụ dùng để xử lý nước thải công chọn được chế độ nhiệt tối ưu để chế tạo vật liệu hấp<br /> nghiệp nói chung và nước thải chứa phóng xạ nói phụ có tính cạnh tranh trên thị trường về mặt kinh tế<br /> riêng đòi hỏi cần phải có dung lượng trao đổi ion lớn và hiệu quả xử lý môi trường.<br /> và có độ bền trong môi trường nước. Đối với vật liệu 2. Phương pháp nghiên cứu<br /> hấp phụ được chế tạo trên nền khoáng sét bentonit có 2.1. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ<br /> tính chất trương nở mạnh và khả năng tạo ra huyền hoạt hóa bằng nhiệt tới đặc trưng của vật liệu hấp phụ<br /> phù bền và dễ tan trong nước nên cần phải nghiên cứu Sử dụng vật liệu khoáng sét bentonit vùng Bình<br /> chế độ hoạt hóa bentonit bằng phương pháp nhiệt để Thuận đã được làm giàu tới hàm lượng montmorillonit<br /> thu nhận được vật liệu vừa có khả năng hấp phụ các trên 70% để nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ<br /> nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng có hiệu quả vừa chất phóng xạ và kim loại nặng. Vật liệu khoáng sét<br /> có độ bền cao trong môi trường nước. bentonit được sử dụng trong nghiên cứu này có<br /> Quá trình hoạt hóa bằng tác nhân nhiệt đối với kích thước 1-2 mm. Kết quả phân tích thành phần<br /> khoáng sét bentonit là quá trình xử lý vật lý trong đó hóa học của vật liệu được trình bày trong Bảng 1.<br /> vật liệu được nung ở nhiệt độ cao. Đối với từng loại<br /> vật liệu khoáng sét, sự biến đổi trong cấu trúc và thành Bảng 1. Thành phần hóa học (%) của khoáng sét<br /> phần của chúng khi hoạt hóa bằng các nhiệt độ khác bentonit<br /> nhau Hơn nữa quá trình hoạt hóa nhiệt cũng giúp loại SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O MKN<br /> bỏ tạp chất và nước đi kèm theo khoáng sét. Trong 57,08 13,67 3,15 2,18 2,09 2,34 1,04 17,18<br /> giai đoạn làm mất nước, những chất hấp phụ và nước<br /> cùng với các tạp chất được loại bỏ khỏi khoáng sét. Kết Tiến hành thí nghiệm<br /> quả làm giảm trọng lượng và tăng diện tích bề mặt của Cho 20g vật liệu khoáng sét bentonit vào chén<br /> khoáng sét, cung cấp nhiều vị trí cho hấp phụ và từ đó nung bằng gốm, cho chén nung cùng vật liệu vào lò<br /> làm tăng khả năng hấp phụ của khoáng sét. Tiếp tục nung. Tiến hành nung vật liệu ở các giá trị nhiệt độ<br /> tăng nhiệt độ hoạt hóa sẽ dẫn đến việc tách các nhóm 100, 200, 300, 400, 500 và 6000C trong khoảng thời<br /> hydroxit (OH). Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nhiệt độ gian 2 giờ. Khi đạt được thời gian nung, lấy vật liệu ra<br /> nung sẽ phá cấu trúc của vật liệu khoáng sét và làm khỏi lò nung và làm nguội trong khoảng 2-3 giờ và cất<br /> giảm diện tích bề mặt của vật liệu. trong bình kín để phục vụ các nghiên cứu tiếp theo.<br /> Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng 2.2. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của<br /> của nhiệt độ hoạt hóa vật liệu khoáng sét bentonit tới nhiệt độ hoạt hóa tới khả năng hấp phụ của vật liệu<br /> đặc trưng của vật liệu và khả năng hấp phụ chất phóng Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa<br /> <br /> <br /> 1<br /> Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Bộ Công Thương<br /> 2<br /> Viện Công nghệ Xạ hiếm, Bộ Khoa học và Công nghệ<br /> <br /> <br /> 66 Chuyên đề số II, tháng 7 năm 2016<br />  KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ<br /> <br /> <br /> <br /> (nung) tới khả năng hấp phụ kim loại của vật liệu, đã thước trung (kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu<br /> tiến hành làm thí nghiệm về khả năng hấp phụ của dụng ở giữa khoảng 2 nm và 50 nm) và nhỏ (bán kính<br /> nguyên tố phóng xạ U, Th và kim loại nặng Fe, Mn lên hiệu dụng 50 nm) và làm tăng kích thước trung<br /> bằng máy lắc với tốc độ 140 vòng/phút tới khi đạt bão bình của lỗ xốp.<br /> hòa (sau khoảng 3,5 giờ). Sau đó lọc dung dịch bằng Ngoài ra, khi nhiệt độ nung vật liệu thay đổi, đặc<br /> giấy lọc trên phễu thuỷ tinh. Phần dung dịch sau khi tính cơ lý của vật liệu cũng thay đổi. Vật liệu hấp phụ<br /> lọc trong được đưa đi phân tích hàm lượng U, Th, Fe, được nung ở nhiệt độ 4000C có khối lượng thể tích là<br /> Mn bằng phương pháp ICP-MS và phương pháp đo 452 kg/m3, cường độ kháng nén là 35,3 kg/cm2, tăng 1,8<br /> quang. lần so với điều kiện tự nhiên (ở nhiệt độ 0oC) (Bảng 3).<br /> Phương pháp tính dung lượng hấp phụ: Khi nung đến nhiệt độ 6000C, khối lượng thể tích vẫn<br /> Lượng ion kim loại được hấp phụ bởi vật liệu được không thay đổi nhiều (đạt 537 kg/m3) nhưng cường<br /> xác định từ sự chênh lệch nồng độ ion kim loại trước độ kháng nén tăng đáng kể (đạt 98,5 kg/cm2). Vì vậy ở<br /> và sau khi hấp phụ. Dung lượng hấp phụ được tính vùng nhiệt độ nung 400-6000 C là vùng nhiệt độ thích<br /> theo công thức: hợp để gia công chế tạo vật liệu hấp phụ trên nền vật<br /> A = [(Co – C).V]/m liệu khoáng sét bentonit.<br /> Trong đó: Bảng 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới đặc điểm cơ lý<br /> A: dung lượng hấp phụ của vật liệu; của vật liệu hấp phụ<br /> Co: nồng độ ion kim loại trong dung dịch ban đầu;<br /> Nhiệt độ Khối lượng thể Cường độ kháng<br /> C: nồng độ ion kim loại khi cân bằng được thiết<br /> nung, oC tích, kg/m3 nén, kg/cm2<br /> lập; 0 243 18,5<br /> V: thể tích dung dịch kim loại; 400 452 35,3<br /> m: khối lượng vật liệu dùng để hấp phụ. 600 537 98,5<br /> 3. Kết quả và thảo luận Bảng 4. Đặc tính cơ lý của vật liệu hấp phụ sau khi nung<br /> 3.1. Ảnh hưởng của chế độ hoạt hóa nhiệt tới đặc ở nhiệt độ 500-600oC<br /> điểm của vật liệu hấp phụ Khối lượng<br /> Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt độ Nhiệt độ Độ bền Độ hút<br /> thể tích vun<br /> hoạt hóa tới đặc điển của vật liệu khoáng sét bentonit nung, oC nén, Mpa nước, %<br /> đống, kg/m3<br /> về diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp của vật liệu 500-600 300 - 400 1,8-2,3 22<br /> được trình bày trong Bảng 2. Như vậy, có thể chia quá trình nung vật liệu thành<br /> Bảng 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới diện tích bề ba giai đoạn như sau:<br /> mặt và kích thước lỗ xốp của vật liệu hấp phụ + Giai đoạn 1: t = 35 phút, nâng nhiệt đến 4000C.<br /> Đây là quá trình mất nước vật lý và hoá học.<br /> Nhiệt độ Diện tích bề mặt theo Kích thước + Giai đoạn 2: t = 15 phút, nâng nhanh nhiệt độ từ<br /> nung,0C phương pháp BET, m2/g lỗ xốp, A0 4000 đến 6000C. Quá trình hoá lý diễn ra mạnh.<br /> 0 57,8 42,2 + Giai đoạn 3: t = 70 phút, giai đoạn giữ vật liệu<br /> 100 60,6 47,4<br /> nung ở nhiệt độ 5500C đến 6000C.<br /> 200 61,8 46,0<br /> 300 63,5 45,8 Bảng 4 trình bày đặc điểm của vật liệu hấp phụ khi<br /> 400 73,4 45,4 nung ở khoảng nhiệt độ (500-600oC) trong thời gian<br /> 500 89,2 51,8 120 phút. Kết quả cho thấy, ở dải nhiệt độ nung này<br /> 600 80,3 51,3 đảm bảo cho vật liệu bền trong môi trường nước.<br /> 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa tới khả<br /> Kết quả về diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp năng hấp phụ nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng<br /> của các vật liệu có nhiệt độ nung khác nhau có thể giải Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung<br /> thích như sau: Tại thời điểm đầu nhiệt độ khi nung lên trong các khoảng nhiệt: 100, 200, 300, 400, 500 và<br /> đến 4000C, kích thước lỗ xốp của vật liệu giảm do loại 600oC tới khả năng hấp phụ nguyên tố phóng xạ U, Th<br /> bỏ được nước hấp phụ và hình thành lỗ xốp có kích và Fe, Mn lên vật liệu được trình bày ở Hình 1.<br /> <br /> <br /> Chuyên đề số II, tháng 7 năm 2016 67<br />  khi tăng nhiệt độ nung sẽ làm cho chi phí sản xuất vật<br /> liệu hấp phụ tăng, vì vậy cần lựa chọn nhiệt độ phù hợp<br /> xét cả trên góc độ tính kinh tế và khả năng hấp phụ<br /> kim loại của vật liệu.<br /> - Khối lượng kim loại được hấp phụ tại vùng diện tích<br /> lớn nhất cũng lớn vì có số lượng lỗ rỗng cao. Khi diện<br /> tích bề mặt riêng bắt đầu giảm sau 100oC, khối lượng<br /> kim loại hấp phụ trên một đơn vị diện tích bắt đầu tăng<br /> lên (Bảng 5).<br /> ▲Hình 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới dung lượng Bảng 5. Khối lượng chất hấp phụ nguyên tố phóng xạ U<br /> hấp phụ của vật liệu trên đơn vị diện tích<br /> <br /> Kết quả cho thấy: Nhiệt độ<br /> 100 200 300 400 500 600<br /> nung, 0C<br /> - Dung lượng hấp phụ các nguyên tố phóng xạ (U,<br /> Khối lượng<br /> Th) và kim loại nặng (Fe, Mn) đều tăng lên khi nhiệt 0,22 0,20 0,21 0,23 0,43 0,46<br /> U, ads/m2<br /> độ hoạt hóa tăng lên từ 1000C đến 6000C.<br /> - Khi tăng nhiệt độ hoạt hóa từ 1000C lên 6000C sẽ 4. Kết luận<br /> làm cho diện tích bề mặt vật liệu hấp phụ tăng lên đáng Kết quả nghiên cứu cho thấy, dung lượng hấp phụ<br /> kể và kích thước lỗ xốp cũng tăng lên và do đó tăng khả của nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng phụ thuộc<br /> năng hấp phụ ion nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng vào nhiệt độ hoạt hóa vật liệu hấp phụ. Khi tăng nhiệt<br /> lên bề mặt vật liệu. độ hoạt hóa vật liệu hấp phụ từ 1000C lên 6000C sẽ làm<br /> - Khi loại bỏ một lượng nước lớn giữa không gian các cho diện tích bề mặt vật liệu tăng lên đáng kể và kích<br /> lớp của vật liệu cũng như nước nằm ở bề mặt có thể mở thước lỗ xốp cũng tăng lên và do đó tăng khả năng hấp<br /> ra các lỗ xốp và những “lỗ hổng” này cung cấp thêm phụ các nguyên tố phóng xạ (U và Th) và kim loại nặng<br /> các vị trí cho ion nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng. (Fe và Mn) lên bề mặt vật liệu cũng tăng đáng kể. Lựa<br /> - Dung lượng hấp phụ của vật liệu bentonit khi nâng chọn nhiệt độ hoạt hóa vật liệu khoáng sét bentonit ở<br /> từ 100 đến 600oC tăng dần lên là do diện tích bề mặt khoảng 500oC trong thời gian 2 giờ, vừa để đảm vật<br /> tăng khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên khi tăng quá nhiệt liệu vẫn có khả năng hấp phụ có hiệu quả các nguyên<br /> có thể sẽ dẫn tới hiện tượng sập khung cấu trúc và làm tố phóng xạ và kim loại nặng, vừa đảm bảo tính kinh<br /> cho dung lượng hấp phụ của vật liệu sẽ giảm. Ngoài ra tế khi đưa vật liệu vào sản xuất ở quy mô công nghiệp■<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO bentonite. Applied Clay Science: 18.<br /> 1. Vũ Minh Đức, 1999. Công nghệ gốm xây dựng. 3. International Atomic Energy Agency, 1984.<br /> NXB Đại học Xây dựng Hà Nội. Treatment of Low and Intermediate Level Liquid<br /> 2. Bojemueller, E & Nennemann, A., 2001. Radioactive Wastes. Technical Reports Series No. 236,<br /> Enhanced pesticide adsorption by thermally modified IAEA, Vienna.<br /> <br /> <br /> STUDy ON THE EFFECTS OF THERmAL ACTIVATION ON<br /> BENTONITE FOR RADIOACTIVE ADSORPTION<br /> Nguyễn Thúy Lan*<br /> Đinh Văn Tôn<br /> National Institute of Mining-Metallurgy Science & Technology, Ministry of Industry and Trade<br /> Thân Văn Liên<br /> Institute for Technology of Radioactive and Rare Elements, Ministry of Science & Technology<br /> <br /> ABSTRACT<br /> This paper presents the studies on effects of thermal activation of bentonite as absorbent for U, Th, Fe and<br /> Mn. The study results showed that at selected thermal activation mode of around 500oC for 2 hours, bentonite<br /> materials have an efficient adsorption capacity of radioactive elements and heavy metals and cost-saving as<br /> taking into production at industrial scales.<br /> Key word: Thermal activation, Radioactivity, Adsorbent, Bentonite.<br /> <br /> <br /> 68 Chuyên đề số II, tháng 7 năm 2016<br />