Luận án tiến sĩ: Tận dụng bùn đỏ từ công nghệ Bayer Tây Nguyên xử lý nitrophenol trong nước thải công nghiệp quốc phòng

• Tác giả: Nguyen Van Huong
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu tận dụng bùn đỏ từ công nghệ Bayer khu vực Tây Nguyên để xử lý một số hợp chất nhóm nitrophenol trong nước thải công nghiệp quốc phòng
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙN ĐỎ
• 1.1. Công nghệ Bayer và sự phát sinh bùn đỏ
• 1.2. Tình hình khai thác và chế biến quặng bauxit
• 1.3. Một số đặc tính của bùn đỏ
• 1.4. Ứng dụng bùn đỏ
• 1.4.1. Thu hồi các nguyên tố có giá trị từ bùn đỏ
• 1.4.2. Ứng dụng bùn đỏ trong sản xuất vật liệu xây dựng
• 1.4.3. Ứng dụng bùn đỏ trong sản xuất gốm thủy tinh
• 1.4.4. Ứng dụng bùn đỏ trong xử lý môi trường
• 1.5. Nitrophenol trong nước thải sản xuất quốc phòng và thực trạng xử lý
• 1.5.1. Nitrophenol trong nước thải sản xuất thuốc phóng, thuốc nổ, thuốc gợi
• 1.5.2. Công nghệ xử lý nitrophenol trong nước thải sản xuất quốc phòng
• 1.6. Các phương pháp biến tính bùn đỏ
• 1.6.1. Biến tính bằng axit
• 1.6.2. Biến tính bằng nhiệt
• 1.6.2.1. Biến tính bằng nhiệt kết hợp axit
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu của luận án
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Chuẩn bị mẫu phân tích
• 2.3.2. Thí nghiệm biến tính bùn đỏ
• 2.3.3. Nghiên cứu một số đặc tính của vật liệu
• 2.3.4. Thí nghiệm xử lý TNR, TNP bằng phương pháp hấp phụ
• 2.3.5. Phương pháp thí nghiệm hấp phụ DDNP
• 2.3.6. Phương pháp xử lý số liệu
• 2.3.7. Phương pháp xác định nồng độ chất
• 2.3.8. Nghiên cứu đặc điểm quá trình phân hủy DDNP trong môi trường nước bằng quá trình UV-Fenton
• 2.4. Mô hình thí nghiệm
• 2.4.1. Mô hình thí nghiệm với hệ UV-Fenton
• 2.4.2. Mô hình thí nghiệm kết hợp giữa UV-Fenton và bùn đỏ biến tính
• 2.5. Mô phỏng quá trình hấp phụ
• 2.5.1. Phương trình dạng nhiệt Langmuir
• 2.5.2. Phương trình dạng nhiệt Freundlich
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng tính chất bùn đỏ và bùn đỏ biến tính
• 3.1.1. Thành phần hóa học bùn đỏ
• 3.1.2. Cấu trúc pha, hình thái học và tính chất phóng xạ của bùn đỏ thô
• 3.1.3. Nghiên cứu biến tính bùn đỏ
• 3.1.4. Biến tính bùn thải từ hệ thống xử lý nước cấp (từ nguồn nước ngầm)
• 3.2. Nghiên cứu khả năng xử lý TNP, TNR, DDNP bằng bùn đỏ biến tính
• 3.2.1. Nghiên cứu khả năng xử lý TNP và TNR bằng bùn đỏ biến tính
• 3.2.2. Nghiên cứu khả năng xử lý DDNP bằng bùn đỏ biến tính
• 3.3. Nghiên cứu đặc điểm quá trình phân hủy DDNP trong môi trường nước bằng hệ UV-Fenton
• 3.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ H2O2/Fe3+ đến hiệu quả phân hủy DDNP
• 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng và pH đến hiệu suất và tốc độ phân hủy của DDNP
• 3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất và tốc độ phân hủy DDNP
• 3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ DDNP đến hiệu suất và tốc độ phân hủy
• 3.3.5. Ảnh hưởng của cường độ UV đến hiệu suất và tốc độ phân hủy
• 3.3.6. Thử nghiệm với nước thải Nhà máy Z121
• 3.3.7. Thử nghiệm xử lý DDNP bằng giải pháp kết hợp UV-Fenton và bùn đỏ biến tính đối với nước thải thực tế từ dây chuyền sản xuất tại Nhà máy Z121
• 3.4. Tính toán lượng chất hấp phụ
• 3.4.1. Cơ sở thiết lập
• 3.4.2. Tính toán đối với dung dịch chứa một chất ô nhiễm
• 3.4.3. Tính toán lượng chất hấp phụ xử lý nước thải TNP bằng vật liệu RM
• 3.5. Ứng dụng xử lý nước thải phát sinh từ dây chuyền sản xuất DDNP tại Nhà máy Z121
• 3.5.1. Chất lượng nước thải phát sinh từ dây chuyền sản xuất DDNP
• 3.5.2. Tiêu chuẩn chất lượng nước đầu vào của hệ thống
• 3.5.3. Phương án công nghệ
• 3.5.4. Kết quả chế tạo và vận hành thử nghiệm hệ thống
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bùn đỏ và công nghệ Bayer

Bùn đỏ là chất thải phát sinh từ quá trình sản xuất alumin theo công nghệ Bayer, đặc biệt tại khu vực Tây Nguyên. Với tính chất kiềm cao (pH = 10-13), bùn đỏ có thể gây ô nhiễm môi trường nếu không được quản lý và xử lý đúng cách. Công nghệ Bayer là quy trình chính để sản xuất alumin từ quặng bauxit, tạo ra lượng lớn bùn đỏ hàng năm. Việc tận dụng bùn đỏ để xử lý các chất độc hại như nitrophenol trong nước thải công nghiệp quốc phòng là một hướng nghiên cứu tiềm năng, vừa giải quyết vấn đề môi trường, vừa tạo giá trị kinh tế từ chất thải.

1.1. Nguồn gốc và đặc tính của bùn đỏ

Bùn đỏ là sản phẩm phụ của quá trình hòa tách bauxit trong công nghệ Bayer, chứa các oxit và hydroxit kim loại như sắt, nhôm, titan. Tại Tây Nguyên, việc khai thác bauxit và sản xuất alumin đã tạo ra lượng lớn bùn đỏ, gây áp lực lên môi trường. Bùn đỏ có kích thước hạt mịn, diện tích bề mặt lớn, phù hợp để sử dụng làm vật liệu hấp phụ trong xử lý nước thải.

1.2. Vấn đề môi trường từ bùn đỏ

Việc thải bỏ bùn đỏ không qua xử lý có thể gây ô nhiễm đất, nước và không khí. Tính kiềm cao của bùn đỏ có thể làm thay đổi pH môi trường, ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Ngoài ra, bùn đỏ chứa các kim loại nặng và chất độc hại, gây rủi ro cho sức khỏe con người và môi trường. Do đó, việc tìm giải pháp tái chế và tận dụng bùn đỏ là cần thiết.

II. Nitrophenol và thách thức trong xử lý nước thải công nghiệp quốc phòng

Nitrophenol là hợp chất hữu cơ độc hại, thường xuất hiện trong nước thải công nghiệp quốc phòng, đặc biệt từ quá trình sản xuất thuốc nổ và thuốc phóng. Các hợp chất này có tính bền vững cao, khó phân hủy sinh học, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc xử lý nitrophenol đòi hỏi các công nghệ tiên tiến như oxi hóa nâng cao và hấp phụ để đạt hiệu quả cao.

2.1. Đặc tính và tác hại của nitrophenol

Nitrophenol là hợp chất hữu cơ chứa nhóm nitro (-NO2) gắn vào vòng phenol, có tính độc cao và khó phân hủy. Chúng gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường, đặc biệt là hệ sinh thái thủy sinh. Việc xử lý nitrophenol trong nước thải công nghiệp quốc phòng là thách thức lớn do tính bền vững và độc tính cao của chúng.

2.2. Công nghệ xử lý nitrophenol hiện nay

Các phương pháp xử lý nitrophenol bao gồm oxi hóa nâng cao, hấp phụ, và công nghệ sinh học. Trong đó, oxi hóa nâng cao như quá trình Fenton và UV-Fenton có hiệu quả cao trong việc phân hủy các hợp chất này. Tuy nhiên, chi phí và độ phức tạp của các công nghệ này đòi hỏi sự kết hợp với các phương pháp khác như hấp phụ để tối ưu hóa hiệu quả xử lý.

III. Ứng dụng bùn đỏ trong xử lý nitrophenol

Nghiên cứu tận dụng bùn đỏ từ công nghệ Bayer tại Tây Nguyên để xử lý nitrophenol trong nước thải công nghiệp quốc phòng là một hướng đi mới, mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường. Bùn đỏ sau khi biến tính có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ, kết hợp với các phương pháp oxi hóa nâng cao để nâng cao hiệu quả xử lý.

3.1. Biến tính bùn đỏ để tăng hiệu quả hấp phụ

Bùn đỏ được biến tính bằng nhiệt và axit để tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ. Các nghiên cứu cho thấy, bùn đỏ biến tính ở nhiệt độ 800°C và xử lý bằng axit HCl 2M có hiệu quả hấp phụ cao đối với nitrophenol. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng bùn đỏ trong xử lý nước thải.

3.2. Kết hợp bùn đỏ với công nghệ oxi hóa nâng cao

Sự kết hợp giữa bùn đỏ biến tính và công nghệ oxi hóa nâng cao như UV-Fenton giúp tăng hiệu quả xử lý nitrophenol. Bùn đỏ đóng vai trò như chất hấp phụ và xúc tác, hỗ trợ quá trình phân hủy các hợp chất độc hại. Đây là giải pháp tiềm năng để xử lý nước thải công nghiệp quốc phòng một cách bền vững.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu tận dụng bùn đỏ từ công nghệ Bayer tại Tây Nguyên để xử lý nitrophenol trong nước thải công nghiệp quốc phòng đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả cao. Việc biến tính bùn đỏ và kết hợp với công nghệ oxi hóa nâng cao là hướng đi tiềm năng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành công nghiệp quốc phòng.

4.1. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường từ bùn đỏ mà còn cung cấp giải pháp hiệu quả để xử lý nitrophenol trong nước thải công nghiệp quốc phòng. Đây là bước tiến quan trọng trong việc áp dụng các công nghệ tiên tiến vào thực tiễn.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình biến tính bùn đỏ và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Việc phát triển các công nghệ kết hợp sẽ là chìa khóa để giải quyết các vấn đề môi trường phức tạp trong tương lai.