Nghiên cứu biến tính bùn đỏ Tân Rai làm vật liệu xử lý kim loại nặng và anion độc hại trong nước

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Nguồn gốc và thành phần của bùn đỏ

1.2. Ảnh hưởng của bùn đỏ đối với môi trường sinh thái

1.3. Một số kết quả nghiên cứu xử lý bùn đỏ

1.4. Lưu trữ và xử lý theo cách truyền thống

1.5. Xử lý theo hướng thu hồi các nguyên tố có giá trị từ bùn đỏ

1.6. Xử lý bùn đỏ làm vật liệu xây dựng

1.7. Chế tạo một số vật liệu xúc tác

1.8. Khả năng hấp phụ của bùn đỏ

2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM

2.1. Chế cách giả, nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ

2.2. Xử lý kiềm dư trong bùn đỏ

2.3. Mẫu vật liệu tách loại triệt để nhôm

2.4. Tổng hợp zeolit trên nền bùn đỏ

2.5. Các phương pháp phân tích đặc trưng của vật liệu

2.5.1. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

2.5.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X

2.5.3. Phương pháp tán xạ năng lượng EDX

2.5.4. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA/TGA)

2.5.5. Phương pháp xác định điểm điện tích không của vật liệu

2.5.6. Các phương pháp phân tích định lượng

2.5.6.1. Phân tích thành phần các mẫu vật liệu bằng phương pháp hóa học

2.5.6.2. Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

2.5.6.3. Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS

2.6. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu

2.6.1. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ các ion Pb(II), NH4+, As(V), NO2-

2.6.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu

2.6.3. Mô hình động nhiệt hấp phụ

2.7. Động học quá trình hấp phụ

2.8. Nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu biến tính từ bùn đỏ

2.8.1. Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu sau khi hấp phụ

2.8.2. Thử nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu trên mẫu thật

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1. Thành phần và đặc trưng của bùn đỏ thô Tân Rai

3.2. Đặc trưng của bùn đỏ thô

3.3. Đặc trưng và tính chất hấp phụ của vật liệu bùn đỏ sau khi xử lý loại kiềm dư bằng axit hoặc rửa bằng nước đến pH 7

3.4. Đặc trưng và tính chất của vật liệu RMA và RMW

3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu RMA và RMW

3.6. Mô hình động nhiệt hấp phụ đối với vật liệu RMA và RMW

3.7. Đặc trưng và tính chất hấp phụ của vật liệu bùn đỏ sau khi tách loại nhôm (RM-0)

3.8. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian hòa tách Al

3.9. Đặc trưng của vật liệu RM-EG

3.10. Khả năng hấp phụ của vật liệu RM-Fe đối với các cation và anion

3.11. Mô hình động nhiệt hấp phụ đối với vật liệu RM-Fe

3.12. Đặc trưng và tính chất hấp phụ của vật liệu zeolit tổng hợp trực tiếp trên nền bùn đỏ

3.13. Khả năng hấp phụ của vật liệu đối với các cation và anion

3.14. Khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu biến tính từ bùn đỏ Tân Rai

3.15. Nghiên cứu tái sử dụng một số vật liệu hấp phụ biến tính từ bùn đỏ

3.16. Một số kết quả thử nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính trên mẫu nước

3.17. Tổng hợp kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ của các vật liệu biến tính từ bùn đỏ đối với các ion khảo sát

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

I. Bùn đỏ Tân Rai và vấn đề môi trường

Bùn đỏ Tân Rai là chất thải từ quá trình sản xuất nhôm theo công nghệ Bayer, với thành phần chính là các oxit sắt, nhôm và silic. Đây là loại chất thải nguy hại do độ pH cao (lên đến 13) và hàm lượng kim loại nặng. Bùn đỏ không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và đời sống con người. Nghiên cứu này tập trung vào việc biến tính bùn đỏ để tạo ra vật liệu xử lý hiệu quả các kim loại nặng và anion độc hại trong nước.

1.1. Nguồn gốc và thành phần bùn đỏ

Bùn đỏ Tân Rai được tạo ra từ quá trình sản xuất nhôm từ quặng bôxit. Thành phần chính của nó bao gồm các oxit sắt (Fe2O3), nhôm (Al2O3) và silic (SiO2). Ngoài ra, bùn đỏ còn chứa các kim loại nặng như chì (Pb), asen (As) và các anion độc hại như nitrat (NO3-) và amoni (NH4+). Việc xử lý và tái chế bùn đỏ là cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.2. Ảnh hưởng của bùn đỏ đến môi trường

Bùn đỏ có độ pH cao và chứa nhiều kim loại nặng, gây ô nhiễm đất và nguồn nước. Khi không được xử lý đúng cách, nó có thể thấm vào nguồn nước ngầm, gây nguy hiểm cho sức khỏe con người và động vật. Nghiên cứu này nhằm tìm ra giải pháp xử lý ô nhiễm hiệu quả bằng cách sử dụng bùn đỏ biến tính làm vật liệu hấp phụ.

II. Biến tính bùn đỏ làm vật liệu xử lý

Biến tính bùn đỏ là quá trình xử lý để cải thiện khả năng hấp phụ của nó đối với các chất ô nhiễm. Nghiên cứu này tập trung vào việc loại bỏ kiềm dư và tách loại nhôm để tạo ra các vật liệu có khả năng hấp phụ cao. Các phương pháp biến tính bao gồm trung hòa bằng axit, rửa bằng nước và nung ở nhiệt độ cao.

2.1. Xử lý kiềm dư trong bùn đỏ

Kiềm dư trong bùn đỏ được loại bỏ bằng cách trung hòa với axit hoặc rửa bằng nước đến khi đạt pH trung tính. Quá trình này giúp giảm độ pH và tăng khả năng hấp phụ của vật liệu. Các vật liệu sau xử lý được sấy và nung ở các nhiệt độ khác nhau để tối ưu hóa tính chất hấp phụ.

2.2. Tách loại nhôm và tổng hợp zeolit

Nhôm trong bùn đỏ được tách loại bằng dung dịch kiềm nóng, sau đó vật liệu được sấy và nung. Ngoài ra, nghiên cứu còn tận dụng thành phần silic và nhôm để tổng hợp zeolit trên nền hematit. Vật liệu zeolit tổng hợp có khả năng hấp phụ và trao đổi ion cao, phù hợp để xử lý các anion độc hại và kim loại nặng trong nước.

III. Ứng dụng vật liệu biến tính trong xử lý nước

Các vật liệu bùn đỏ biến tính được ứng dụng để xử lý kim loại nặng và anion độc hại trong nước. Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ của các vật liệu này đối với asen (As), chì (Pb), nitrat (NO3-) và amoni (NH4+). Kết quả cho thấy các vật liệu biến tính có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm này khỏi nguồn nước.

3.1. Khả năng hấp phụ kim loại nặng

Các vật liệu bùn đỏ biến tính được khảo sát khả năng hấp phụ đối với kim loại nặng như asen (As) và chì (Pb). Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ cao, đặc biệt là sau khi được nung ở nhiệt độ thích hợp. Cơ chế hấp phụ được phân tích dựa trên các mô hình Langmuir và Freundlich.

3.2. Khả năng hấp phụ anion độc hại

Nghiên cứu cũng đánh giá khả năng hấp phụ của các vật liệu bùn đỏ biến tính đối với các anion độc hại như nitrat (NO3-) và amoni (NH4+). Vật liệu zeolit tổng hợp từ bùn đỏ cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ các anion này khỏi nước, nhờ cấu trúc xốp và khả năng trao đổi ion.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã tạo ra các vật liệu bùn đỏ biến tính có khả năng hấp phụ cao đối với kim loại nặng và anion độc hại. Các vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước và xử lý ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, việc tái chế bùn đỏ còn góp phần giảm thiểu chất thải và bảo vệ môi trường.

4.1. Tái sử dụng vật liệu hấp phụ

Các vật liệu bùn đỏ biến tính sau khi hấp phụ có thể được tái sử dụng bằng cách rửa giải và tái sinh. Nghiên cứu đã khảo sát khả năng tái sử dụng của các vật liệu này và cho thấy chúng vẫn duy trì hiệu quả hấp phụ sau nhiều chu kỳ sử dụng.

4.2. Ứng dụng thực tế trong xử lý nước

Các vật liệu bùn đỏ biến tính đã được thử nghiệm trên các mẫu nước thực tế, bao gồm nước ngầm và nước thải công nghiệp. Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm, đặc biệt là asen và chì, từ nguồn nước.

Luận án tiến sĩ hóa học: Biến tính bùn đỏ Tân Rai để xử lý kim loại nặng và anion độc hại trong môi trường nước