Nghiên cứu ứng dụng sét kaolin làm vật liệu hấp phụ mangan trong nước

Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.000101 124 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SÉT KAOLIN LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ MANGAN TRONG NƯỚC Từ Thị Cẩm Loan1, Hoàng Thị Thanh Thủy1, Hà Thị Thu Trang1, Helen Fournet2 1Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường thành phố Hồ Chí Minh Email: ttcloan@hcmunre.edu.vn 2 Loyola University Chicago TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng sét kaolin làm vật liệu hấp phụ Mn2+. Sét kaolin của mỏ Đất Cuốc, huyện Bắc Tân Uyên, tỉnh Bình Dương sau khi được định hình dạng chén và nung ở nhiệt độ 900 oC. Hiệu quả hấp phụ khá cao (84,5 %) với nồng Mn2+ đầu vào 5,0±0,5 mg/L. Tuy nhiên lưu lượng hấp phụ thấp (2,08ml/giờ/100g). Bổ sung vỏ trấu với tỷ lệ sét kaolin và vỏ trấu (75:25%) thì hiệu quả hấp phụ tương đối cao (84 %) và lưu lượng hấp phụ tăng gấp 32 lần so với sử dụng sét kaolin nguyên thủy (66,7 ml/giờ/100 g). Sự gia tăng hiệu quả hấp phụ của mô hình có thể được giải thích do vỏ trấu sau khi được nung đã tạo thành hỗn hợp SiO2 và cacbon vô định hình có cấu trúc xốp nên đã làm tăng khoảng trống cho khối vật liệu hấp phụ. Do đó, kết hợp sét kaolin và vỏ trấu chế tạo vật liệu thân thiện với môi trường và giá thành thấp để xử lý nước dưới đất bị ô nhiễm Mn2+. Từ khóa: Sét kaolin, vỏ trấu, mangan, vật liệu lọc, nước dưới đất. 1. GIỚI THIỆU Tại Việt Nam, nước sinh hoạt được lấy từ 2 nguồn chính đó là nước mặt và nước dưới đất. Trong đó nước dưới đất cung cấp cho sinh hoạt ở đô thị chiếm 40 % và 70-80 % ở nông thôn. Mangan có mặt trong hơn 100 loại khoáng khác nhau. Thông qua quá trình rửa trôi, phong hóa của đất đá và các hoạt động của con người Mn sẽ được tích tụ trong các nguồn nước khác nhau như ao, hồ sông, suối, biển gọi chung là nước bề mặt rồi từ nước bề mặt mangan sẽ được ngấm vào những mạch nước trong lòng đất mà ta gọi là nước ngầm. Trên cơ sở nghiên cứu trước đây của Từ Thị Cẩm Loan và cộng sự (2018) cho thấy sét kaolin tự nhiên tại mỏ sét kaolin Đất Cuốc có khả năng hấp phụ ion Mn2+ trong nước. Tuy nhiên nếu sử dụng sét kaolin ở dạng bột thì nước sau xử lý xuất hiện nhiều huyền phù, không an toàn sức khỏe cho người sử dụng. Để khắc phục nhược điểm này, nghiên cứu chế tạo sét kaolin thành vật liệu hấp phụ dạng khối đã được triển khai.Tuy nhiên, nếu chế tạo vật liệu hấp phụ có thành phần sét nguyên thủy sẽ có hạn chế là lưu lượng hấp phụ rất chậm. Chính vì vậy, theo các nghiên cứu trước đây, cần bổ sung thêm phụ gia để gia tăng lưu lượng hấp phụ. Trong các phế phẩm nông nghiệp thì vỏ trấu là vật liệu hấp phụ có khả năng tăng khoảng cách lỗ rỗng khi được gia nhiệt bên cạnh đó giá thành lại thấp (Trương Phương Linh, 2017) nên đã được lựa chọn để thử nghiệm kết hợp với sét kaolin. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu là 1) xác định nhiệt độ nung tối ưu để tạo khối vật liệu lọc và 2) khảo sát hiệu quả hấp phụ Mn bằng sét nguyên thủy và khi bổ sung vỏ trấu. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu Mẫu nước thí nghiệm: Mẫu nước thực nghiệm được chuẩn bị từ muối MnSO4.H2O 99 % (Scharlau, Tây Ban Nha) pha trong nước giếng lấy tại Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. HCM có nồng độ Mn2+ khoảng 5,0±0,5 mg/L được điều chỉnh đến pH: 6,0-7,0 (điều kiện pH sét kaolin hấp phụ tốt nhất). Chế tạo vật liệu hấp phụ: Quá trình tạo vật liệu hấp phụ gồm bốn bước như sau: Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 125 Chuẩn bị vật liệu hấp phụ: Sét kaolin của công ty KT&CBKS Tân Uyên FICO đã qua chế biến và vỏ trấu được công ty TNHH Hòa Kiến Nhân được cho qua rây với kích thước lỗ rây 0,25mm. Tạo hình: 100g sét kaolin (hoặc hỗn hợp sét và vỏ trấu) được nhào trộn với nước cất để vật liệu có thể kết dính. Sau đó, được nặn thành hình phễu phù hợp với chén sứ (Hình 1). Trước khi tạo hình, chén sứ được phủ một lớp vaseline để sau khi cho bay hơi nước hoàn toàn có thể dễ dàng tách phễu lọc ra khỏi chén sứ. Bay hơi nước: Để ngăn ngừa sản phẩm bị rạn nứt sau khi nung, vật liệu hấp phụ được bay hơi nước theo nhiệt độ tăng dần. Nung vật liệu lọc: Sau khi cho bay hơi nước hoàn, vật liệu hấp phụ được nung trong lò nung WiseTherm, Korea đến nhiệt độ khảo sát. Tốc độ gia nhiệt sẽ tăng dần mỗi 100 oC và ứng với mỗi khoảng nhiệt độ được giữ trong 10 phút. 2.2. Thiết kế thí nghiệm Thí nghiệm được triển khai theo 2 giai đoạn như sau: Khảo sát nhiệt độ nung tối ưu: Trên cơ sở nghiên cứu của Kendrto D.R. (2019) và Eehuanga E. (2014) cho thấy nhiệt độ nung tối ưu đối với sét kaolin làm vật liệu lọc tương ứng là 850-900 oC và 950-1.000 oC. Do đó, thí nghiệm khảo sát nhiệt độ nung tối ưu được thực hiện với năm khoảng nhiệt độ (800, 900, 1.000, 1.100 và 1.1500C), thời gian nung 3 giờ sau khi cho bay hơi nước hoàn toàn. Cơ sở lựa chọn nhiệt độ nung tối ưu dựa trên hiệu quả loại Mn2+ và lưu lượng hấp phụ cao nhất. Khảo sát hiệu quả hấp phụ Mn: Các thí nghiệm hấp phụ được triển khai với các tỷ lệ sét và vỏ trấu như sau: TN1 (100:0), TN2 (90:10), TN3 (80:20), TN4 (75:25) và TN5: (50:50)%. Cơ sở lựa chọn vật liệu hấp phụ tối ưu dựa vào hiệu quả loại bỏ Mn2+ cao nhất, lưu lượng hấp phụ và tính kinh tế (chi phí). Hiệu quả hấp phụ Mn2+: Công thức tính toán hiệu quả hấp phụ Mn2+ như sau: (%) *100%v r v C C H C (1) Trong đó: Cv: Nồng độ ion Mn 2+ trong mẫu đầu vào (mg/L); Cr: Nồng độ ion Mn 2+ trong mẫu sau hấp phụ (mg/L). 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tạo hình vật liệu hấp phụ Giai đoạn tạo hình và bay hơi nước vật liệu hấp phụ trước khi đưa vào lò nung là một trong những giai đoạn quan trọng. Nếu vật liệu không bay hơi nước hoàn toàn hay nhiệt độ tăng nhanh đột ngột sẽ làm sản phẩm sau khi nung dễ bị nứt (Hình 1a). Sau khi thử nghiệm ở nhiều chế độ gia nhiệt khác nhau (sản phẩm sau tạo hình cho bay hơi nước ở 100 oC không qua giai đoạn 50 oC hoặc qua 2 giai đoạn nhưng ở 50 oC chỉ giữ khoảng 2-3 giờ) đã cho thấy khi thực hiện qua hai giai đoạn: (i) 50 oC được giữ khoảng 4-5 giờ; (ii) bay hơi nước hoàn toàn ở 100 oC kéo dài 12 giờ thì vật liệu hấp phụ được định hình tốt và không bị nứt (Hình 1b). Bên cạnh đó, nếu vật liệu sau khi cho bay hơi nước hoàn toàn và đưa vào lò nung cài ở nhiệt độ nung yêu cầu cũng dẫn đến sản phẩm sau nung cũng bị nứt (Hình 1a). Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 126 (a) (b) Hình 1: Vật liệu lọc sau khi nung. 3.2. Khảo sát nhiệt độ nung tối ưu Kết quả nghiên cứu nhiệt độ nung tối ưu với vật liệu lọc là sét nguyên thủy cho thấy khi nhiệt độ nung tăng tương ứng 800; 900; 1.000 đến 1.150oC thì hiệu quả hấp phụ Mn2+ (H%) cũng tăng (71,83; 84,50; 85,21 đến 86,08 %). Nhưng khi nhiệt độ tăng đến 1.150 C thì H% giảm mạnh (41,14 %) (Hình 2a). Kết quả nghiên cứu này phù hợp với các nghiên cứu trước đây đã cho thấy nhiệt độ nung sét hấp phụ tối ưu ở khoảng nhiệt độ: 850–1.000 oC (Eehuanga E., 2014; Kendrto, 2019). Khi nhiệt độ nung tăng tương ứng 800; 900; 1.000 đến 1.150 oC thì lưu lượng cũng tăng và đạt giá trị cao nhất (13,33ml/giờ) nên thời gian tiếp xúc giữa Mn2+ trong nước và vật liệu hấp phụ ngắn dẫn đến hiệu quả giảm. Nghiên cứu trước đây cũng đã cho thấy thời gian hấp phụ tối ưu của sét kaolin là 90 phút (Từ Thị Cẩm Loan, 2018). Vậy nhiệt độ nung tối ưu được lựa chọn là 900-1.100 oC. (a) (b) Hình 2. Kết quả khảo sát nhiệt độ nung tối ưu và hiệu quả xử lý của các mô hình thí nghiệm. 3.3. Khảo sát hiệu quả hấp phụ của các mô hình thí nghiệm Sau khi lựa chọn được nhiệt độ nung tối ưu (900-1.100 oC), nghiên cứu khảo sát hiệu quả hấp phụ của 5 mô hình với các tỷ lệ sét và vỏ trấu khác nhau. Ở trường hợp TN1- sét nguyên thủy (100 % sét kaolin), tuy hiệu quả hấp phụ đạt cao 84,5 % nhưng lưu lượng hấp phụ nước rất chậm (2,08 ml/giờ/100g sét kaolin). Khi bổ sung vỏ trấu, lưu lượng hấp phụ tăng nhanh (Hình 2b). Ở TN 5 (tỷ lệ 50:50%), lưu lượng hấp phụ đạt giá trị cực đại và nhanh gấp 1,75 lần so với TN4 (75:25 %) nhưng H% lại giảm (78,8 %). Theo nghiên cứu trước đây đã cho thấy khi nung ở nhiệt độ trên 600 oC, chất hữu cơ trong vỏ trấu bị cháy hoàn toàn tạo thành hỗn hợp SiO2 và cacbon vô định hình có cấu trúc xốp, rỗng tạo ra khoảng trống khá lớn (Trương Phương Linh, 2017). Và do đó, lượng vỏ trấu sử dụng nhiều và nhiệt độ nung cao đã dẫn đến khả năng làm giảm hiệu quả hấp phụ của sét kaolin. Như vậy, nếu bổ sung vỏ trấu với tỷ lệ 20-25 % nung ở 900 oC, hiệu suất hấp phụ không chênh lệch nhiều (85,2-84 %) nhưng lưu lượng khá cao (tương ứng: 3,1- 4,1L/giờ/6,2Kg) tương đương so với sản phẩm của công ty Hưng Thịnh (2-4 L/giờ/6,2Kg đất sét). Chính vì vậy, nếu đánh giá về kinh tế, TN4 là mô hình tối ưu (tỷ lệ sét và vỏ trấu 75:25) do giá thành của vỏ trấu rất thấp (240 đ/Kg) so với sét kaolin (10.000 đ/Kg). 1.87 2.08 6.67 10 13.33 71.83 84.5 85.21 86.08 41.14 0 20 0 60 80 100 0 5 10 15 , 8 0 0 , 9 0 0 1 , 0 0 0 1 , 1 0 0 1 , 1 5 0 H (% ) L ư u l ư ợ n g ( m l/ g iờ ) Lưu (0 2.08 8.33 50 66.67 116.67 84.5 85.65 85.2 84.04 78.8 0 20 40 60 80 100 0 50 100 T N 1 T N 2 T N 3 T N 4 T N 5 H (% ) L ư u l ư ợ n g ( m l/ g iờ ) Lưu Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 127 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu đã cho thấy mô hình sét nguyên thủy (100 % sét kaolin) có hiệu quả hấp phụ Mn2+ tối ưu (84,5 %) nhưng lưu lượng hấp phụ khá thấp. Nếu kết hợp sét kaolin và vỏ trấu ở tỷ lệ 75:25 (%) thì mô hình vẫn đạt hiệu quả hấp phụ tối ưu (H%: 84 %) nhưng lưu lượng tăng gấp 10 lần (66,7ml/giờ/100g vật liệu hấp phụ). Do đó, có thể kết hợp sét kaolin và vỏ trấu để chế tạo các vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường và chi phí thấp để loại bỏ Mn trong nước dưới đất, bảo vệ sức khỏe cộng đồng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Eehuanga E. Devolopment of Ceramic Filters of Household Water Treatment in Nigeria (2014). Art and Design, 1, 6-10. [2]. Kendrto D.R. (2019). Effectiveness of Ceramic water Filter Pots with Addition of Silever Nitrate to reduce of Escherichia Coli Contents. Universitas Padjadjaran, 9(2), 526-531. [3]. Từ Thị Cẩm Loan, Hoàng Thị Thanh Thủy, Trần Thị Phương Dung, Lê Quang Luật, Trịnh Hồng Phương, Lê Thị Thùy Dương (2018). Đề tài KHCN cấp cơ sở “Nghiên cứu sử dụng sét kaolin khu vực miền Đông Nam Bộ làm vật liệu hấp phụ trong xử lý ô nhiễm nước dưới đất”. [4]. Trương Phương Linh (2017). Tổng hợp vật liệu lọc từ vỏ trấu ứng dụng xử lý nước thải trường đại học Cửu Long. Tạp chí đại học Cửu Long, 64-73. STUDY ON THE APPLICATION OF KAOLINITE AS A SORBENT TO REMOVE MANGANESE FROM THE WATER Loan Cam Thi Tu 1 , Thuy Thanh Thi Hoang 1 , Trang Thu Thi Ha 1 , Helen Fournet 2 1 Ho Chi Minh City University of Natural Resources and Environment Email: ttcloan@hcmunre.edu.vn 2 Loyola University Chicago ABSTRACT This paper presents the study on assessment of manganese sorption capacity of local kaolinite clay. The kaolinite clay collected from Datcuoc mine, North Tanuyen district, Binh Duong province were formed into small pot and heating to 900 o C. The sorption capacity increased up to 84.5 % for input Mn 2+ concentration of 5.0±0.5 mg/L. However, the sorption volume was relative low 2.08 ml/hr/100g). The mixture of clay and rice husk (ratio 75:25 % weight) showed relative high sorption capacity (84 %) and 32 times higher sorption volume (66.7 ml/hr/100g It could be explained with the increasing pore spaces in adsorbent material since rice husk have been transformed to a mixture of SiO2 and amorphous carbon, which has highly porous structure. Thus, a mixture of kaolinite clay and rice husk could offer an environmental and cost effectively sorbents to decontaminate Mn 2+ contaminated groundwater. Key words: Kaolin clay, rice hush, mangan, adsorbent material, groundwater.