Luận án tiến sĩ nghiên cứu điều chế vật liệu c n s tio 2 từ quặng ilmenite bình định ứng dụng xử lý nước thải nuôi tôm

Luận án tiến sĩ nghiên cứu điều chế vật liệu c n s tio 2 từ quặng ilmenite Bình Định, ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải nuôi tôm.

• Tác giả: Nguyễn Thị Lan
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Phi Hùng
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu TiO2 Từ Quặng Ilmenite Bình Định Cho Xử Lý Nước Thải Nuôi Tôm
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ hóa học
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHOÁNG QUẶNG CHỨA TITANIUM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TiO2 TỪ TINH QUẶNG ILMENITE
• 3. CHƯƠNG 2
• 4. CHƯƠNG 3
• 5. CHƯƠNG 4
• 6. CHƯƠNG 5
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về TiO2 và quặng ilmenite Bình Định

Vật liệu TiO2 được biết đến với nhiều ứng dụng trong xử lý môi trường, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước thải nuôi tôm. Quặng ilmenite tại Bình Định là nguồn nguyên liệu phong phú, với trữ lượng lớn, có thể được khai thác để sản xuất TiO2. Việc điều chế TiO2 từ quặng ilmenite không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển quy trình điều chế TiO2 từ quặng ilmenite Bình Định, nhằm ứng dụng trong xử lý nước thải nuôi tôm, một vấn đề đang ngày càng trở nên cấp bách.

1.1. Tính chất và ứng dụng của TiO2

Vật liệu TiO2 có nhiều tính chất nổi bật như hoạt tính quang xúc tác cao, bền vững và không độc hại. Những ứng dụng chính của TiO2 bao gồm xử lý nước nhiễm bẩn, diệt khuẩn, và khử mùi độc hại. Tuy nhiên, TiO2 chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng tử ngoại, do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp biến tính TiO2 để mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng là rất cần thiết.

II. Nước thải nuôi tôm và các vấn đề môi trường

Nước thải từ hoạt động nuôi tôm chứa nhiều chất ô nhiễm, bao gồm kháng sinh và các hợp chất hữu cơ độc hại. Việc xả thải nước này mà không qua xử lý đã gây ra ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường. TiO2 được nghiên cứu như một giải pháp tiềm năng để xử lý nước thải nuôi tôm, nhờ vào khả năng phân hủy các chất ô nhiễm dưới tác động của ánh sáng. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước thải mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

2.1. Thành phần và đặc điểm của nước thải nuôi tôm

Nước thải nuôi tôm thường chứa nhiều hợp chất như ammonium (NH4+), COD, và các chất hữu cơ khác. Những thành phần này không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe của người tiêu dùng. Việc phân tích thành phần nước thải là bước quan trọng để xác định phương pháp xử lý hiệu quả, trong đó TiO2 đóng vai trò chủ chốt trong việc phân hủy các chất ô nhiễm này.

III. Phương pháp nghiên cứu và điều chế TiO2

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp sulfuric acid để điều chế TiO2 từ quặng ilmenite Bình Định. Phương pháp này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có. Sau khi điều chế, TiO2 sẽ được biến tính bằng các nguyên tố phi kim như C, N, S để nâng cao hoạt tính quang xúc tác. Các phương pháp phân tích hiện đại như XRD, SEM, và UV-Vis sẽ được sử dụng để đánh giá đặc tính của vật liệu.

3.1. Quy trình điều chế TiO2 từ quặng ilmenite

Quy trình điều chế TiO2 từ quặng ilmenite bao gồm các bước như phân hủy quặng bằng acid sulfuric, tách chiết và tinh chế sản phẩm. Việc tối ưu hóa các điều kiện điều chế như nhiệt độ, thời gian và nồng độ acid là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao nhất. Nghiên cứu này sẽ cung cấp những thông tin quý giá cho việc sản xuất TiO2 từ nguồn nguyên liệu trong nước.

IV. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của TiO2

Hoạt tính xúc tác quang của TiO2 sẽ được đánh giá thông qua khả năng phân hủy kháng sinh tetracycline trong dung dịch nước. Các yếu tố như khối lượng chất xúc tác, nồng độ dung dịch và pH sẽ được khảo sát để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình phân hủy. Kết quả nghiên cứu sẽ chỉ ra hiệu quả của TiO2 trong việc xử lý nước thải nuôi tôm, từ đó khẳng định giá trị thực tiễn của vật liệu này.

4.1. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang

Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của TiO2 sẽ được thực hiện bằng cách theo dõi sự thay đổi nồng độ của tetracycline theo thời gian. Kết quả sẽ cho thấy khả năng phân hủy của TiO2 và ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến hiệu suất xử lý. Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn trong việc ứng dụng TiO2 vào xử lý nước thải nuôi tôm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHOÁNG QUẶNG CHỨA TITANIUM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TiO2 TỪ TINH QUẶNG ILMENITE 1. Trên thế giới Titanium là nguyên tố chiếm tỷ lệ tương đối cao trong vỏ trái đất (0,63 %) có trong thành phần của nhiều khoáng vật, trong đó 8 khoáng vật chứa titanium có nhiều giá trị sử dụng trong công nghiệp như: Ilmenite, rutile, anatase, brookite, perovoskite, sfene, leicoxen, titanomagnetite được phân bố rộng khắp trong vỏ trái đất và khá dồi dào về hàm lượng. Theo số liệu thống kê [193] trữ lượng quặng titanium quy ra TiO2 trên thế giới hơn 2 tỷ tấn.

Trong đó, trữ lượng rutile và Ilmenite khoảng 1,5 tỷ tấn. Các nước có trữ lượng quặng titanium lớn trên thế giới được kể đến là: Nam Phi, Ấn Độ, Mỹ, Canada, Na Uy, Úc, Braxin, Trung Quốc và Ukraina. Trong tự nhiên, đặc điểm của một số khoáng vật chứa titanium có giá trị công nghiệp được trình bày ở Bảng 1. Một số khoáng vật chứa titanium có giá trị công nghiệp [116] Khối Thành phần TiO2 (% theo lượng Độ cứng Tên khoáng vật chính lý thuyết) riêng (Mohs) (g/cm3) Ilmenite FeTiO3 52,63 4,60-5,20 5,00-6,00 Rutile TiO2 100,00 4,30 6,00 Anatase TiO2 100,00 3,90 5,75 Brookite TiO2 53,00 4,13 5,57 Perovoskite CaTiO3 48,80 4,00 5,50-6,00 Sfene CaO,TiO2,SiO2 39,20 3,30-3,60 5,00-6,00 Leucoxene TiO2, SiO2 50,00-95,00 3,30-4,30 5,00-6,00 Titanomanhetite Fe3O4, FeTiO3 2,00-30,00 4,50-5,00 5,50-6,00 luan an 5 1.

Ở Việt Nam * Tiềm năng nguồn quặng Ilmenite Việt Nam Việt Nam được đánh giá là nước có trữ lượng quặng Ilmenite khá lớn, đứng thứ 6 trên thế giới, được phân bố rộng rãi trên nhiều vùng miền khác nhau với trữ lượng đã được thăm dò và đánh giá vào khoảng hàng chục triệu tấn Ilmenite [193], chiếm khoảng 5% trữ lượng của toàn thế giới. Các tỉnh ven biển từ Quảng Ninh đến Bình Thuận có quặng sa khoáng titanium với trữ lượng lớn và có giá trị công nghiệp cao có thể kể đến như sau [23]: - Vùng Đông bắc Bắc Bộ: có tổng trữ lượng Ilmenite khoảng 90 ngàn tấn. - Vùng ven biển Hải Phòng, Thái Bình và Nam Định: các mỏ sa khoáng của vùng này có quy mô nhỏ, dự báo có khoảng 11 ngàn tấn Ilmenite. - Vùng ven biển Thanh Hóa: đã phát hiện được 4 mỏ sa khoáng là Hoàng Thanh, Sầm Sơn, Quảng Xương và Tĩnh Gia.

Các mỏ sa khoáng này có trữ lượng nhỏ nhưng hàm lượng Ilmenite tương đối cao, đặc biệt chúng có hàm lượng monazite cao hơn so với các vùng khác. - Vùng Nghệ An - Hà Tĩnh: Đây là nơi có tiềm năng lớn nhất về quặng titanium ở Việt Nam, các mỏ sa khoáng vùng này có quy mô từ nhỏ đến lớn, có khoảng 15 mỏ và điểm quặng. Ở các mỏ sa khoáng này, ngoài khoáng vật Ilmenite, trong quặng còn có các khoáng vật có ích khác như zircon, leucoxene, monazite và có cả kim loại hiếm là Hafini với giá trị kinh tế cao. - Vùng Quảng Bình - Quảng Trị: khu vực này có trữ lượng khoảng 348,7 ngàn tấn Ilmenite.

- Vùng ven biển Thừa Thiên Huế: các mỏ sa khoáng vùng này phân bố suốt từ Quảng Điền đến Phú Lộc và có đặc điểm là hàm lượng chất có hại Cr2O3 cao hơn so với ở các vùng khác. Trữ lượng của Ilmenite là 2,436 ngàn tấn. - Vùng ven biển Bình Định, Phú Yên và Khánh Hòa: có trữ lượng khoảng 2 triệu tấn Ilmenite. - Vùng ven biển Ninh Thuận, Bình Thuận: theo thông báo mới nhất của tổng công ty khoáng sản Việt Nam, tổng trữ lượng Ilmenite tại Bình Thuận là 6 triệu tấn, luan an 6 trong đó trữ lượng có khả năng khai thác là 2 triệu tấn.

* Một số mỏ quặng Ilmenite ở Việt Nam - Khu mỏ Cẩm Hòa (Hà Tĩnh) Mỏ Cẩm Hòa là một trong những mỏ Ilmenite sa khoáng lớn nhất ven biển Hà Tĩnh. Mỏ chạy dọc bờ biển từ Thạch Trị - phía nam Thạch Khê đến Cẩm Long - phía bắc núi Thiên Cầm dài 14 km, rộng nhất 1300 m, hẹp nhất 300 m, thuộc các xã Cẩm Hòa, Cẩm Dương, Cẩm Long, xã Thạch Vân, Thạch Hội (huyện Thạch Hà). Toàn bộ mỏ Cẩm Hoà nằm trong dãy đụn cát ở mức cao 1 m đến 10 m được tạo thành từ các tích tụ có nguồn gốc biển-gió thuộc Holocen thượng (mvQIV3). Chiều dày trầm tích Holocen thượng dao động từ 5 ÷ 10 m.

Trong trầm tích Holocen thượng có chứa quặng Ilmenit khá giàu hình thành thân sa khoáng Ilmenite rất lớn có diện tích hàng chục km2. Thân quặng ở đây hầu như lộ thiên trên mặt, một vài nơi có phủ lớp cát trắng mỏng không đáng kể. Đáy thân quặng là lớp sạn sỏi, đôi chỗ có lẫn ít sét và mùn thực vật. Toàn bộ khu mỏ Cẩm Hòa có thân quặng nằm cách bờ biển khoảng 800 m, trong dãy đụn cát nổi cao trên mặt địa hình có độ cao tuyệt đối 3 ÷ 10 m.

Quặng ở đây rất ổn định không bị sóng biển bào phá. Tổng trữ lượng quặng titanium cấp C1 + C2 của toàn khu mỏ Cẩm Hòa là 2.316,66 ngàn tấn được trình bày chi tiết trên Bảng 1. Trữ lượng quặng titanium của khu mỏ Cẩm Hòa [5] Trữ lượng cấp C1 Trữ lượng cấp C2 Tổng cộng Mỏ (Ngàn tấn) (Ngàn tấn) (Ngàn tấn) Cẩm Hòa 1.501,95 Thạch Hội-Thạch Vân 120,22 244,16 364,38 Cẩm Long - 450,33 450,33 Tổng cộng 1. Thành phần hóa học tinh quặng Ilmenite khu mỏ Cẩm Hòa [5] Thành phần Hàm lượng (%) Thành phần Hàm lượng (%) TiO2 54,40 SiO2 0,78 FeO 27,30 MnO 3,30 Fe2O3 12,10 Cr2O3 0,04 Al2O3 0,87 - - luan an 7 - Khu mỏ Vĩnh Thái (Quảng Trị) Khu mỏ sa khoáng titanium Vĩnh Thái thuộc xã Vĩnh Thái huyện Vĩnh Linh tỉnh Quảng Trị.

Mỏ kéo dài 15 km dọc ven bờ biển xã Vinh Kim (phía Nam) đến xã Vĩnh Thái (phía Bắc), trung tâm mỏ cách thị trấn Hồ Xá 15 km về hướng Đông. Quặng trong khu mỏ được phân bố trên địa hình bãi biển, gờ gió và đụn cát ven biển. Độ cao địa hình mỏ từ 2 m đến 15 m. Xa hơn về phía Tây là các đụn cát cao từ 10 m đến 30 m tiếp đến là địa hình bằng phẳng đất thuộc thềm biển.

Trong khu vực mỏ, đôi chỗ do các khe suối tạm thời chảy từ phía Tây, địa hình bị thay đổi, ranh giới địa mạo bị xóa nhòa. Điều kiện giao thông mỏ nói chung thuận lợi về mùa khô. Mỏ cách quốc lộ 1A 15 km bằng đường ôtô. Đường sắt có ga gần nhất là ga Sa Lung cách mỏ 25 km về phía Tây.

Đường ôtô đến ga nhìn chung thuận lợi, từ mỏ đến cảng Cửa Việt có đường ôtô dài 60 km [6]. Thành phần hoá học của tinh quặng Ilmenite dao động như sau [6]: TiO2: 52,73 ÷ 55,13%; Fe2O3: 19 ÷ 24%; FeO: 13 ÷ 18%; Cr2O3: 0,06 ÷ 0,183%. Ngoài ra còn có các thành phần như V2O5, P2O5 và MnO nhưng hàm lượng không đáng kể. - Khu mỏ Thuận An (Thừa Thiên-Huế) Khu mỏ có diện tích khoảng 6 km2, phân bố dọc bờ biền ở các xã Phú Hải, Phú Diên và Vinh Xuân, huyện Phú Vang, tỉnh Thừa Thiên-Huế với chiều dài khoảng 12 km, chiều rộng trung bình 500 m.

Khu mỏ hình thành trên một dải đụn cát ven biển từ các tích tụ có nguồn gốc biển gió hiện đại (mvQIV4), thành phần trầm tích gồm cát thạch anh màu xám hạt mịn đến trung chứa khá giàu quặng Ilmenite. Về điều kiện giao thông của khu mỏ khá thuận lợi. Chạy dọc theo các mỏ về phía Tây có quốc lộ 68, các loại ôtô trọng tải lớn có thể đi lại dễ dàng. Ngoài ra ở phía Bắc và phía Nam khu mỏ còn có hai cảng lớn là cảng Thuận An và cảng Chân Mây.

Nối liền hai cảng là phà Tam Giang, các tàu bè có trọng tải nhỏ có thể đi lại được. Khu mỏ Thuận An gồm có 3 mỏ lớn chính là các mỏ Vinh Xuân, Kế Sung và Phương Diên. Thành phần hoá học của tinh quặng Ilmenite của khu mỏ, cụ thể như sau: TiO2 - 52,5%; FeO - 29,01%; Fe2O3 - luan an 8 12,8%; Cr2O3 - 0,4%; V2O5 - 0,13%; ngoài ra trong thành phần còn có các nguyên tố Si, Mn, Mg, P, Al, Zr, Ca [3]. - Khu mỏ Đề Gi (Bình Định) Khu mỏ Đề Gi nằm trên bãi cát ven biển xã Cát Khánh, huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định.

Chiều dài thân quặng 8.400 m, chiều rộng thân quặng thay đổi ở phía Bắc 100 ÷ 200 m, ở giữa thân quặng 1.500 mét và ở phía Nam 1. Diện tích khu mỏ là 8 km2. Địa hình khu mỏ không bằng phẳng, dạng lồi lõm, mấp mô phức tạp, tạo thành nhiều cồn cát, bãi cát có độ cao, độ dốc khác nhau nằm kế tiếp nhau, giữa chúng hình thành các khe, rãnh, biểu hiện sự biến động phức tạp của bề mặt địa hình do tác động của gió, bão, nước trên mặt và nước biển. Thành phần hóa học của tinh quặng Ilmenite của khu mỏ được trình bày ở Bảng 1.

Thành phần hóa học tinh quặng Ilmenite khu mỏ Đề Gi [2] Thành phần (%) Nhỏ nhất Lớn nhất Trung bình TiO2 44,220 50,080 47,046 FeO 28,390 34,680 31,432 Fe2O3 11,170 21,480 16,500 Al2O3 0,790 0.840 0,818 Cr2O3 0,031 0,051 0,040 V2O5 0,081 0,084 0,082 SiO2 0,210 0,240 0,228 - Khu mỏ Gò Đình (Bình Thuận) Khu mỏ sa khoáng Ilmenite Gò Đình phân bố trên các gò đụn và bãi cát ven biển thuộc địa phận xã Tân Hải, huyện Hàm Tân, tỉnh Bình Thuận. Dải cát chứa quặng kéo dài không liên tục theo hướng Đông - Tây từ sông Cửa Cạn đến sông Cutri được chia làm hai phân khu: phân khu Gò Đình I và phân khu Gò Đình II. Toàn bộ dải cát chứa quặng có chiều dài khoảng 5 km chiều rộng từ 150 đến 600 m Phân khu Gò Đình I: Được đánh giá là một trong những mỏ có triển vọng nhất trong dải sa khoáng ven biển miền Trung Nam Bộ. Thân quặng Ilmenite - zircon nằm trong cát vàng và một số ít trong cát trắng xám bở rời, độ hạt nhỏ đến luan an 9 trung bình, lẫn một ít hạt lớn.

Đáy thân quặng phân bố ở độ cao từ 2 m đến 11 m, gần như nằm ngang hoặc hơi nghiêng ra biển từ 1 ÷ 4o. Thành phần hoá học của tinh quặng Ilmenite phân khu Gò Đình I thể hiện trong Bảng 1. Thành phần hóa học tinh quặng Ilmenite phân khu Gò Đình [7] Thành phần Hàm lượng (%) Thành phần Hàm lượng (%) TiO2 52,00 SiO2 5,42 FeO 22,27 MnO 0,65 Fe2O3 19,95 P2O5 0,05 Al2O3 2,69 Na2O 0,08 Phân khu Gò Đình II: Nằm giữa sông Cutri và sông Phan, kéo dài theo hướng Tây Tây Nam, chạy gần song song mép nước biển kéo dài 3,6 km, rộng trung bình 500 m. Hàm lượng Ilmenite trong thân quặng rất thấp từ vài kg/ m3 đến vài chục kg/ m3 nên không có ý nghĩa về công nghiệp.