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]. 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”.
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. 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. 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. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÙN ĐỎ VÀ BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH 1.
Giới thiệu về vật liệu bùn đỏ Hình 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.
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. 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.
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. 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. 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]. Một số kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ của vật liệu bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam * Trên thế giới Trên thế giới đã có một số nghiên cứu sử dụng bùn đỏ để hấp phụ một số ion kim loại nặng, cụ thể: Năm 2000, Soner Altundoğan, H và cộng sự [13] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ As(III) và As(V) trên bùn đỏ. Kết quả cho thấy, As(III) được hấp phụ tối ưu ở pH = 9,5, thời gian 45 phút, dung lượng hấp phụ 4,31 mol g-1 trong khi đó As(V) được hấp phụ tối ưu ở pH = 3,2, thời gian 90 phút, dung lượng hấp phụ 5,07 mol g-1.
Năm 2010, nhóm nghiên cứu của Hayrunnisa Nadaroglu [8] đã sử dụng bùn đỏ để loại bỏ Cu(II) trong dung dịch nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy điều kiện tối ưu của sự hấp phụ ion Cu(II) là pH = 5,5 và sự hấp phụ đạt trạng thái cân bằng sau 30 phút. Dung lượng hấp phụ cực đại của ion Cu(II) trên vật liệu bùn đỏ là 5,35 mg/g. Năm 2020, Omer Kazaka và Ali Tor [14], đã kết hợp bùn đỏ với chất thải vinasse bằng phương pháp đồng thủy nhiệt và khảo sát khả năng hấp phụ vật liệu này trên ion kim loại Pb(II) trong nước.
Nghiên cứu đã xác định được quá trình hấp phụ tuân theo mô hình đẳng nhiệt Freundlich, quá trình hấp phụ đạt tối ưu pH ≥ 5,0, thời gian đạt trạng thái cân bằng là 120 phút.