BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-------------------------------------

VŨ XUÂN MINH

NGHIÊN CỨU HOẠT HÓA BÙN ĐỎ ĐỂ HẤP PHỤ MỘT SỐ
ANION Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

VŨ XUÂN MINH

NGHIÊN CỨU HOẠT HÓA BÙN ĐỎ ĐỂ HẤP PHỤ MỘT SỐ
ANION Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC


phòng Nghiên cứu Ứng dụng và Triển khai Công nghệ đã ủng hộ và tạo mọi điều
kiện thuận lợi cũng nhƣ những góp ý về chuyên môn cho tôi trong suốt quá trình
thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp tại Trung tâm phát triển công nghệ sạch và
vật liệu, Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên, đặc biệt là PGS.TS. Lê Thị Mai
Hƣơng, đã tạo điều kiện giúp tôi thực hiện một số nội dung quan trọng của luận án,
đồng thời có những góp ý quý báu về chuyên môn.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã luôn quan tâm,
giúp đỡ, động viên và khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, ngày tháng năm
Tác giả luận án

Vũ Xuân Minh


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. i
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... v
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 4
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÙN ĐỎ ................................................................... 4
1.1.1.

Sự hình thành bùn đỏ ................................................................................. 4

1.1.2.

Các đặc trƣng quan trọng của bùn đỏ......................................................... 6



1.4.2.

Hấp phụ anion .......................................................................................... 28

1.4.3.

Hấp phụ các chất hữu cơ .......................................................................... 31

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................ 35
2.1. NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT ..................................................................... 35
2.2. TRUNG HÕA BÙN ĐỎ..................................................................................... 36
2.3. HOẠT HÓA BÙN ĐỎ ....................................................................................... 36
2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU ................. 38
2.4.1.

Phƣơng pháp chuẩn độ ............................................................................. 38

2.4.2.

Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................................... 39

2.4.3.

Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét ............................................................ 39

2.4.4.

Phƣơng pháp phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX) ................................. 40



2.5.3.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ chất màu .................................................. 45

2.5.4.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ phosphat .................................................. 46

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 48
3.1. ĐẶC TRƢNG TÍNH CHẤT CỦA BÙN ĐỎ TRƢỚC VÀ SAU KHI HOẠT
HÓA .......................................................................................................................... 48
3.1.1.

Trung hòa bùn đỏ bằng các phƣơng pháp khác nhau ............................... 48

3.1.2.

Hoạt hóa bùn đỏ hằng axit ....................................................................... 53

3.1.3.

Hoạt hóa nhiệt và hoạt hóa kết hợp .......................................................... 58

3.1.4.

Khảo sát ảnh hƣởng của yếu tố xử lý tới khả năng hấp phụ của bùn đỏ . 62

3.2. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) CỦA BÙN ĐỎ HOẠT HÓA
AXIT ......................................................................................................................... 65

3.3.5.

Xử lý mẫu nƣớc nhiễm ion F- thực tế ...................................................... 75

3.4. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CHẤT MÀU ANION............................ 77
3.4.1.

Xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ chất màu ................................ 77

3.4.2.

Khảo sát ảnh hƣởng của pH ..................................................................... 78

3.4.3.

Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ ........................................... 79


3.4.4.

Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ chất màu trên BĐA ........... 80

3.4.5.

Đẳng nhiệt hấp phụ .................................................................................. 82

3.4.6.

Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR .............................................................. 85


PHỤ LỤC ................................................................................................................ 106


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên đầy đủ

BĐT

Bùn đỏ thô

BĐ-HCl

Bùn đỏ trung hòa bằng axit HCl 10-4 M

BĐ-G

Bùn đỏ trung hòa bằng Gypsum

BĐ-NB

Bùn đỏ trung hòa bằng nƣớc biển

BĐA

Bùn đỏ xử lý bằng axit

BĐN


B-MERF

Blue MERF

DTA

Phân tích nhiệt vi sai

EDX

Phổ tán sắc năng lƣợng tia X

FT-IR

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

qmax

Dung lƣợng hấp phụ cực đại

qtn

Dung lƣợng hấp phụ thực nghiệm

qe

Dung lƣợng hấp phụ tính toán

R-3BF


Hình 1. 4. Động học hấp phụ song song bậc 1 của phosphat trên bùn đỏ và bùn đỏ
hoạt hóa bằng các phƣơng pháp khác nhau [56]. ......................................................31
Hình 1. 5. Ảnh hƣởng của phƣơng pháp hoạt hóa đến đẳng nhiệt hấp phụ của tro
bay (A) và bùn đỏ (B). T = 30oC, pH = 5,2 [64] ......................................................33
Hình 2. 1. Sơ đồ hoạt hóa bùn đỏ bằng axit. ............................................................37
Hình 2. 2. Hệ thiết bị trong thí nghiệm hoạt hóa bùn đỏ bằng axit ..........................37
Hình 2. 3. Giàn khuấy cần trong thực nghiệm khảo sát hấp phụ .............................43
Hình 3. 1. pH của bùn đỏ khi trung hòa bằng a) HCl; b) nƣớc biển; c) gypsum .....49
Hình 3. 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của bùn đỏ thô (A) và sau khi trung hòa: BĐ-HCl
(B); BĐ-NB (C) và BĐ-G (D) .................................................................................50
Hình 3. 3. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp khí nitơ của (A) BĐT; (B) BĐ-HCl;
(C) BĐ-NB; (D) BĐ-G..............................................................................................52
Hình 3. 4. Giản đồ XRD của bùn đỏ trƣớc (A) và sau khi xử lý axit (B) ................54
Hình 3. 5. Ảnh SEM của bùn đỏ trƣớc (BĐT) và sau khi xử lý axit (BĐA) ...........55
Hình 3. 6. Biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt của bùn đỏ trƣớc (BĐT) và sau khi hoạt
hóa axit (BĐA) ..........................................................................................................56
Hình 3. 7. Đƣờng hấp phụ - giải hấp nitơ của (A) bùn đỏ thô và (B) bùn đỏ hoạt hóa
axit .............................................................................................................................57
Hình 3. 8: Sự phân bố thể tích lỗ xốp của (A) BĐT, (b) BĐA ................................57
Hình 3. 9. Giản đồ phân tích nhiệt của bùn đỏ .........................................................58
Hình 3. 10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của A) BĐN700 và B) BĐAN .........................59
Hình 3. 11. Ảnh SEM của BĐN700 và BĐAN ........................................................60
Hình 3. 12. Đƣờng hấp phụ - giải hấp khí nitơ của A) BĐT, B) BĐN700, C) BĐN900 và D) BĐAN ......................................................................................................61
Hình 3. 13. Sự phân bố thể tích lỗ xốp của các mẫu (a) BĐT, (b) BĐN700, (c)
BĐN900 và (d) BĐAN..............................................................................................61
ii


Hình 3. 14. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ (A) Cr(VI), (B) phopho tổng, (C) F- và
(D) Y-3GF .................................................................................................................63

iii


Hình 3. 33. Đƣờng động học hấp phụ bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của Y-3GF trên BĐA
...................................................................................................................................81
Hình 3. 34. Đƣờng động học hấp phụ bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của R-3BF trên BĐA
...................................................................................................................................81
Hình 3. 35. Đƣờng động học hấp phụ bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của B-MERF trên
BĐA ..........................................................................................................................81
Hình 3. 36. Ảnh hƣởng của nồng độ (A) Y-3GF; (B) R-3BF; (C) B-MERF đến hiệu
suất và dung lƣợng hấp phụ của BĐA. .....................................................................83
Hình 3. 37. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ các chất màu (A) Y-3GF, (B) R-3BF và (C)
B-MERF trên BĐA ...................................................................................................84
Hình 3. 38. Phổ FTIR của chất màu R-3BF (a), của bùn đỏ trƣớc (b) và sau khi hấp
phụ (c) .......................................................................................................................85
Hình 3. 39. Phổ FTIR của chất màu Y-3GF (a), của bùn đỏ trƣớc (b) và sau khi hấp
phụ (c) .......................................................................................................................86
Hình 3. 40. Phổ FTIR của chất màu B-MERF (a), của bùn đỏ trƣớc (b) và sau khi
hấp phụ (c) .................................................................................................................87
Hình 3. 41. Kết quả xử lý mẫu nƣớc thải dệt nhuộm thực tế A) R-3BF, B) Y-3GF,
C) B-MERF ...............................................................................................................88
Hình 3. 42. Dung lƣợng hấp phụ phosphat của các mẫu bùn đỏ: (a) BĐT; (b)
BĐN600; (c) BĐN650; (d) BĐN700; (e) BĐN800; (f) BĐN900. ...........................89
Hình 3. 43. Phân ly axit photphoric phụ thuộc vào pH [29] ....................................90
Hình 3. 44. Ảnh hƣởng của pH tới dung lƣợng hấp phụ phosphat của các mẫu bùn
đỏ: (a) BĐN700; (b) BĐAN. .....................................................................................90
Hình 3. 45. Ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ đến hiệu suất tách loại phosphat ..91
Hình 3. 46. Dung lƣợng hấp phụ phosphat của BĐN700 và BĐAN theo thời gian
tiếp xúc. .....................................................................................................................92
Hình 3. 47. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của quá trình hấp

Bảng 3. 11. Các tham số của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ F- trên BĐA ..................75
Bảng 3. 12. Các tham số của phƣơng trình động học bậc hấp phụ 2 của Y-3GF, R3BF và B-MERF trên BĐA.......................................................................................82
Bảng 3. 13. Tốc độ hấp phụ ban đầu và thời gian dung lƣợng hấp phụ đạt 50%qe,
99%qe của thuốc nhuộm trên BĐA ...........................................................................82
Bảng 3. 14. Các tham số của phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Y-3GF, R-3BF và BMERF trên BĐA .......................................................................................................84
Bảng 3. 15. Nồng độ chất màu và giá trị pH của 3 loại nƣớc thải dệt nhuộm .........87
Bảng 3. 16. Các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ phosphat bậc 2 trên
BĐN700 và BĐAN ...................................................................................................93
v


Bảng 3. 17. Tốc độ hấp phụ ban đầu và thời gian dung lƣợng hấp phụ đạt 50%qe,
99%qe của phosphat trên BĐN700 và BĐAN ..........................................................93
Bảng 3. 18. Các tham số của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ phosphat trên BĐN700 và
BĐAN........................................................................................................................95

vi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Trong những năm qua nền kinh tế nƣớc ta đã có những bƣớc phát triển đáng
khích lệ, cơ cấu kinh tế chuyển đổi theo hƣớng công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tuy
nhiên, đồng hành với sự phát triển đó là việc nảy sinh nhiều vấn đề môi trƣờng
nghiêm trọng. Môi trƣờng ở một số thành phố lớn, khu công nghiệp tập trung và các
khu dân cƣ đang bị ô nhiễm. Tài nguyên thiên nhiên, đa dạng sinh học đang có nguy
cơ cạn kiệt, sự cố môi trƣờng có chiều hƣớng gia tăng.
Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất ở nƣớc ta hiện nay, khoáng sản bauxit
phân bố rộng từ Bắc vào Nam với trữ lƣợng khoảng 5,5 tỷ tấn quặng nguyên khai,
tƣơng đƣơng với khoảng 2,4 tỷ tấn quặng tinh, tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên