Sinh viên khoa Công nghệ Hóa với nghiên cứu khoa học ứng dụng xử lý nước thải xỉ mạ từ bùn đỏ Tây Nguyên

Trong các đề tài sinh viên Nghiên cứu Khoa học (NCKH) năm 2019, đề tài “nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt từ (Fe3O4) từ bùn đỏ Tây Nguyên bước đầu ứng dụng làm vật liệu xử lý Crom (VI) trong nước thải mạ” của nhóm SV đến từ khoa Công nghệ Hóa được Hội đồng Khoa học Nhà trường chấm điểm cao nhất (93,6 điểm). Không chỉ được đánh giá cao về ý tưởng nghiên cứu, đề tài còn có tính ứng dụng trong thực tế.

Thông tin nhóm nghiên cứu gồm 03 thành viên: bạn Trương Anh Thư, Chu Quý Thương và Lê Xuân Biên đến từ lớp ĐH Hóa 3 - K11, khoa Công nghệ Hóa. Giảng viên hướng dẫn - TS. Phạm Thị Mai Hương.

Bùn đỏ (tên tiếng Anh là Red Mud) là chất thải rắn được thải ra từ quá trình tinh luyện quặng bôxit để sản xuất Al2O3 theo công nghệ Bayer. Thành phần chính của bùn đỏ là Fe2O3 có thể lên đến 60%, một số oxit khác như Al2O3, MnO2... đặc biệt có pH rất cao lến đến 13.

Do vậy nó gây ra ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống của con người. Trên thực tế, trung bình cứ sản xuất 1 tấn Al2O3 thì thải ra 1-1,5 tấn bùn đỏ tùy thuộc chất lượng quặng bauxit đầu vào. Ở Việt Nam, hai dự án rất lớn ở Tây Nguyên là Nhân Cơ và Tân Rai đã đi vào sản xuất.

Nhóm nghiên cứu đến từ khoa Công nghệ Hóa, Đại học Công nghiệp Hà Nội

Theo Tập đoàn than và khoáng sản Việt Nam, quy hoạch phát triển bauxit ở Tây Nguyên từ năm 2007 đến năm 2015, mỗi năm nhà máy Tân Rai và Nhân cơ sản xuất khoảng 7 triệu tấn nhôm oxit, như vậy đồng thời sẽ thải ra hơn 10 triệu tấn bùn đỏ.

Như vậy, nếu tồn trữ và xử lý không tốt rất có thể xảy ra những thảm họa ảnh hưởng lớn đến môi trường khi dự án đã đi vào sản xuất. Chính vì vậy, việc xử lý bùn đỏ đang là vấn đề rất cấp thiết đối với các nhà khoa học trong và ngoài nước.

Hướng nghiên cứu chế tạo nano sắt từ là ý tưởng mới, mục tiêu chính thu hồi toàn bộ lượng oxit sắt có trong bùn đỏ để tạo ra loại vật liệu có tính ứng dụng cao [2-5].

TS. Phạm Thị Mai Hương hướng dẫn Nhóm nghiên cứu thực hiện thí nghiệm

Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã tính toán lượng muối Fe2+ và NaOH cho thêm vào bùn đỏ thô đã được rửa nước đến pH 7, tiến hành chế tạo nano sắt từ theo phương pháp đồng kết tủa trong môi trường khí trơ N2, vật liệu được ký hiệu là RMN2. Vật liệu nano Fe3O4 đã được phân tích đặc trưng cấu trúc bằng các phương pháp X-Ray, SEM, TEM, BET…

Các kết quả phân tích cho thấy, vật liệu nano sắt từ thu được có tính chất đặc trưng của oxit sắt từ, kích thước hạt đạt từ 10-20 nm. Diện tích bề mặt riêng thu được theo phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp (BET) đạt 57,24 m2/g.

Hình 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X (a), ảnh SEM (b) của vật liệu nano sắt từ Fe3O4

Vật liệu được đem tiến hành khảo sát các điều kiện hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước. Kết quả thu được là ở pH= 6, thời gian tiếp xúc là 90 phút thì dung lượng hấp phụ cực đại (qmax) theo phương trình đẳng nhiệt Lăng muir là 31,44 mg/g. Mô hình đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ theo Langmuir (R2= 0,9779) phù hợp hơn với mô hình đẳng nhiệt Frendlich (R2= 0,9023) được thể hiện ở hình 2.

Hình 2: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (a), Freundlich (b) của Cr(VI) trên vật liệu nano Fe3O4

Từ các dữ liệu khảo sát về thời gian cân bằng hấp phụ, động học của quá trình hấp phụ đối với Cr(VI) trên vật liệu nano sắt từ được nghiên cứu và xây dựng. Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình hấp phụ Cr(VI) tuân theo phương trình động học bậc 2 với hệ số tương quan là R2 = 1 (hình 3).

Hình 3. Đồ thị động học bậc 1 biểu kiến (a);Đồ thị động học bậc 2 biểu kiến (b) hấp phụ Cr(VI) trên vật liệu nano Fe3O4

Vật liệu cũng đã được thử nghiệm hấp phụ với mẫu nước thải mạ chứa Cr(VI) lấy từ nguồn thải mạ crôm của một cơ sở sản xuất nhỏ tại khu Công nghiệp Bắc Từ Liêm, kết quả khảo sát trên mẫu thực ở điều kiện tối ưu cho thấy khả năng hấp phụ Cr(VI) đạt 100%, nước thải sau khi xử lý có nồng độ Cr(VI) đạt tiêu chuẩn nước thải công nghiệp theo QCVN QCVN 24: 2009/BTNMT.

Hình 4: Vật liệu nano sắt từ bám dính trên nam châm

Vật liệu nano sắt từ được chế tạo từ bùn đỏ Tây Nguyên thực sự là nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc xử lý chất thải rắn nguy hại thành vật liệu thân thiện với môi trường, vật liệu chế tạo có giá trị sử dụng cao, đặc biệt có thể ứng dụng trong xử lý một số chất độc hại trong môi trường nước.