Red Sludge

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – KHOA MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XỬ LÝ CHẤT THẢI

TẬN DỤNG BÙN ĐỎ ĐỂ SẢN XUẤT DUNG DỊCH HỖN HỢP CHẤT KEO TỤ

TPHCM – 4/2004

Báo cáo thí nghiệm – Tận dụng bùn đỏ để sản xuất dung dịch hỗn hợp chất keo tụ

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XỬ LÝ CHẤT THẢI: TẬN DỤNG BÙN ĐỎ - CHẤT RẮN CỦA SẢN XUẤT HYDROXYT NHÔM TỪ QUẶNG BOXIT ĐỂ SẢN XUẤT DUNG DỊCH HỖN HỢP CHẤT KEO TỤ Nhóm thí nghiệm: nhóm 1 Ngày thí nghiệm: 07/04/2004 Nơi thí nghiệm: PTNHMT Giáo viên hướng dẫn: Cô Nguyễn Thị Thanh Phượng SV thực hiện: Huỳnh Khánh An – MSSV: 90000004 Trần Thị Kim Anh

90000077

Bùi Ngọc Anh

90000022

Nguyễn Văn Bé

90000139

Lê Thị Chu Biên

90000140

Lê Minh Châu

90000207

Đỗ Thị Minh Châu

90000205

Nguyễn T. Quý Châu

90000215

Nhóm 1__________________________________________________________________

1

Báo cáo thí nghiệm – Tận dụng bùn đỏ để sản xuất dung dịch hỗn hợp chất keo tụ

1. TÓM TẮT - Mục đích thí nghiệm: Xác định thành phần Fe2O3 và Al2O3 trong bã thải bùn đỏ. - Kết quả: + Bùn khô: %Fe2O3 = 34% %Al2O3 = 39,53%

+ Bùn lỏng: 2 ( SO 4 ) 3

= 0,575 mol/l

2 ( SO 4 ) 3

= 0,856 mol/l

C Fe C Al

Nhóm 1__________________________________________________________________

2

Báo cáo thí nghiệm – Tận dụng bùn đỏ để sản xuất dung dịch hỗn hợp chất keo tụ

2. LÝ THUYẾT 2.1. Nguồn gốc chất thải rắn bùn đỏ

Bùn đỏ được thải ra từ quá trình xử lý quặng boxit để sản xuất hydroxyt nhôm. Lượng thải bùn khoảng 1,5 m3/tấn hydroxyt nhôm. Quy trình sản xuất nhôm được tiến hành qua các giai đoạn sau: Quặng Boxit

Nghiền mịn

Phản ứng

Lắng, lọc

Thủy phân

Rửa

Bùn đỏ

Al(OH)3

2.2. Thành phần bùn đỏ

Bùn đỏ ở dạng huyền phù, kích thước hạt vào khoảng 70μm. Tỷ trọng khoảng 1,7. Thành phần hóa học của bã thể hiện trong bảng sau: Thành phần Fe2O3 Al2O3 SiO2 TiO2 Na2O

% 40 - 50 18 - 22 1-3 khoảng 2,5 0,01 - 0,03

(Số liệu tham khảo từ mẫu bùn đỏ của nhà máy Hóa chất Tân Bình)

2.3. Công nghệ xử lý tận dụng chất thải rắn bùn đỏ:

Bùn đỏ có thể được tận dụng lảm bột màu pha chế trong sơn hoặc gốm sứ. Do bùn đỏ có chứa hàm lượng oxit nhôm và oxit sắt cao nên có thể được tận dụng để điều chế dung dịch hỗn hợp chất keo tụ với hiệu suất thu hồi cao. Hỗn hợp chất keo tụ được điều chế bằng cách hòa tan bùn đỏ bằng dung dịch axit sunfuric đậm đặc. Phương trình phản ứng như sau: Fe2O3 + 2 H2SO4 + 6 H2O → Fe2(SO4)3.9H2O Al2O3 + 3 H2SO4 + 15 H2O → Al2(SO4)3.18H2O

Nhóm 1__________________________________________________________________

3

Báo cáo thí nghiệm – Tận dụng bùn đỏ để sản xuất dung dịch hỗn hợp chất keo tụ

2.4. Phương pháp phân tích thành phần Fe2O3 và Al2O3 của mẫu bã thải

2.4.1. Chuẩn độ dung dịch Fe3+ bằng dung dịch EDTA: 2.4.1.1. Phản ứng chuẩn độ: - Trong môi trường pH = 2,5: H2Y2- + Fe3+ →

FeY- + 2 H+

- Đặc điểm: + Oxy hóa toàn bộ Fe trong dung dịch thành dạng Fe 3+. Có thể dùng dung dịch K2S2O8. + Dung dịch chuẩn độ có [Fe3+] ≤ 10-3 M + Sự có mặt của Al3+ không gây ảnh hưởng. + Phức FeY- có màu vàng nhạt. + Phản ứng chậm ở nhiệt độ thường. 2.4.1.2. Định điểm cuối: dùng chỉ thị màu kim loại HmI: Phản ứng chỉ thị: H2Y2- + FeI  FeY- + I + 2H+ Thường dùng axit salicylic hay axit sulfosalicylic. 2.4.2. Chuẩn độ dung dịch Al3+ bằng dung dịch EDTA: 2.4.2.1. Phản ứng chuẩn độ: - Trong môi trường pH = 5, thêm lượng thừa xác định dung dịch EDTA. Phản ứng diễn ra như sau: H2Y2- + Al3+ → AlY- + 2H+ Chuẩn độ lượng EDTA thừa bằng dung dịch chuẩn M2+ ở pH=5 M2+ + Al3+ → MY2- + 2H+ M2+ có thể là Zn2+, Pb2+, Cu2+.

Nhóm 1__________________________________________________________________

4

Báo cáo thí nghiệm – Tận dụng bùn đỏ để sản xuất dung dịch hỗn hợp chất keo tụ

- Đặc điểm : + Dùng cách chuẩn độ ngược vì phức AlY- tạo hoàn toàn ở nhiệt độ khoảng 800C, nên cần đun dung dịch trước khi chuẩn độ lượng EDTA thừa. Dung dịch chuẩn độ có [Al3+] ≤ 10-3 M. + Phải là loại kim loại có khả năng tạo phức bền với EDTA như : Fe3+, Cu2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+. Cấu tử thường hiện diện là Fe3+. Có thể loại ảnh hưởng của Fe3+ bằng cách tạo phức bền FeY- ở pH=2,5. 2.4.2.2. Định điểm cuối: - Dùng chỉ thị màu kim loại HmI. Phản ứng chỉ thị: M2+ + HmI → MI + mH+. - Chỉ thị được dùng tùy dung dịch chuẩn M2+ (nếu là Cu2+ thì dùng P.A.N) - Cần loại những ion tạo phức bền với chỉ thị. Để dễ nhận sự chuyển màu ở điểm cuối, có thể dùng thêm chất chỉ thị màu pH làm màu nền như bromocresol lục.

Nhóm 1__________________________________________________________________

5

Báo cáo thí nghiệm – Tận dụng bùn đỏ để sản xuất dung dịch hỗn hợp chất keo tụ

3. THỰC HIỆN THÍ NGIỆM: 3.1. Hóa chất – dụng cụ:

- Máy khuấy từ gia nhiệt.

- Buret và pipet để chuẩn độ.

- Cá từ

- Dung dịch EDTA 0.01 M

- Bình tam gíac Erlen 100 ml.

- Dung dịch Cu2+ 0.01 N

- Phễu lọc và giấy lọc.

- Dung dịch NH4OH ( 1 :1 )

- Bình định mức 500 ml và 100 ml.

- Dung dịch đệm pH=5

- Chất chỉ thị: dung dịch K2S2O8, axit salicylic 5%, bromocresol lục, P.A.N. 3.2. Các bước thí nghiệm: xác định hàm lượng Fe2O3 và Al2O3 trong bã

thải. 3.2.1. Bùn đỏ sấy khô: - Cân 10g bùn đỏ sấy khô cho vào erlen 100ml và thêm vào 24ml nước ( tỷ lệ 70% ). - Cho vào mẫu 18ml H2SO4đđ - Phần bùn đã chuẩn bị được đặt lên máy khuấy từ gia nhiệt ở 900C trong 2h. - Sau đó, lọc nóng hỗn hợp thu được rồi rửa bã bằng nước nóng cho đến khi nước rửa mất màu, lượng nước rửa sử dụng không quá 450 ml (lượng nước rửa thực tế đã sử dụng là 350 ml). Toàn bộ phần dung dịch thu được cho vào bình định mức đến 500 ml, đậy nắp để tránh bay hơi. Lấy 10ml dung dịch thu được cho vào bình định mức đến 100ml rồi đem phân tích và xác định thành phần Fe2O3 và Al2O3 (%) có trong bã thải. 3.2.2. Bùn lỏng: Lấy 1ml dung dịch cho vào bình định mức100ml, châm thêm vào bình 99 ml nước rồi đem phân tích và xác định thành phần Fe2O3 và Al2O3 có trong bùn. 3.2.3. Phân tích thành phần Fe2O3 và Al2O3 trong bã thải:

Nhóm 1__________________________________________________________________

6

7

Báo cáo thí nghiệm – Tận dụng bùn đỏ để sản xuất dung dịch hỗn hợp chất keo tụ

- Lấy 2ml mẫu sau khi pha loãng với tỉ lệ thích hợp cho vào bình tam giác, lần lượt cho thêm vào: + 5 giọt dd K2S2O8. + 2-3 giọt chỉ thị axit salicylic 5% để hỗn hợp có màu tím đậm, nếu không thì thêm vài giọt dd NH4OH. Chuẩn độ bằng dd EDTA 0,01M cho đến khi dung dịch đổi màu từ tím sang vàng nhạt. Ghi lại thể tích (V1ml) dung dịch đã sử dụng. - Bình tam giác sau khi chuẩn độ Fe3+ xong, cho thêm một lượng thừa chính xác dd EDTA (V2=V1 + 3ml). Sau đó, cho thêm vào 2-3 giọt chỉ thị bromocresol lục và 2-3 giọt dd NH4OH để dung dịch có màu lục + 2ml dung dịch đệm pH=5. Đặt lên bếp đun đến khoảng 800C, sau đó cho thêm 2 giọt chỉ thị P.A.N. . .

2ml mẫu

5 giọt dd K2S2O8 2-3 giọt axit salicylic 5%

Dd không màu

2-3 giọt NH4OH

3 3

Dd maøu tím Chuẩn độ bằng dd EDTA 0,01M Dung dịch màu vàng Thêm 3ml EDTA 2-3 giọt bromocresol lục

2-3 giọt NH4OH 2ml dd đệm pH= 5

Đun đến 800C 2 giọt P.A.N

Chuẩn độ bằng dd CuSO4

Dd kết tủa có màu tím đậm Kết quả thô:

3.3.1. Bùn đỏ sấy khô: - Khối lượng bùn khô: m = 10g.

Nhóm 1__________________________________________________________________

Báo cáo thí nghiệm – Tận dụng bùn đỏ để sản xuất dung dịch hỗn hợp chất keo tụ

- Mẫu dùng để phân tích (500ml dung dịch ban đầu): pha loãng 10 lần - Thể tích mẫu phân tích: V=2ml - V1 = 1,7ml - V2 = 4,6ml - VCu = 1,6ml 2+

3.3.2. Bùn lỏng: - Pha loãng 100 lần - Lượng dùng để phân tích (sau khi pha loãng): V=2ml. - V1 = 2,3ml - V2 = 5,3ml - VCu = 2,0 ml 2+

Nhóm 1__________________________________________________________________

8

4. KẾT QUẢ 4.1. Bùn đỏ sấy khô:

Thành phần Fe2O3 và Al2O3 trong bã thải bùn đỏ: 1 V mol l g 1 %Fe2O3 = ( . 1 ml.0,01 . .160 .5000ml ). .100% 2 2 l 1000ml mol m( g ) = 200 .V1 m %Al2O3 = 1 (V2 − VCu ) mol l g 1 ( . ml . 0 , 01 . . 102 . 5000 ml ). .100% = 2 2 l 1000 ml mol m ( g ) 127,5 .(V2 − VCu ) Với: m m =10g 2+

2+

V1 = 1,7ml V2 = 4,6ml VCu = 1,6ml 2+

Vậy: %Fe2O3 = 34% %Al2O3 = 39,53% 4.2. Bùn lỏng:

Nồng độ Fe2(SO4)3 và Al2(SO4)3 trong bùn lỏng: 1 V l mol mol C Fe ( SO ) = ( . 1 ml. .0,01 .100) / 1ml = 0,25.V1 Với: V1 = 2 2 1000ml l l ( V − V ) 1 2 1 mol mol Cu C Al ( SO ) = ( . ml. .0,01 .100) / 1ml = 0,25.(V2 − VCu ) 2 2 1000ml l l 2,3ml 2

4 3

2

4 3

2+

V2

2+

= 5,3ml

VCu = 2,0ml 2+

Vậy:

2 ( SO 4 ) 3

= 0,575 mol/l

2 ( SO 4 ) 3

= 0,856 mol/l

C Fe C Al

5. NHẬN XÉT – BÀN LUẬN 5.1. Các sai số xảy ra trong thí nghiệm:

- Do dụng cu đo - Dụng cụ thí nghiệm rửa không sạch, không được sấy khô trước khi làm thí nghiệm - Do chủ quan của người làm thí nghiệm 5.2. Ứng dụng của bùn đỏ

- Dùng trong canh tác công nghiệp - Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất vật liệu gốm như ximăng, sản xuất gạch, sản xuất tấm lợp cách âm, sản xuất bột màu vô cơ… - Dùng trong sản xuất vật liệu xây dựng như dùng làm vật liệu san lấp mặt bằng, sản xuất vật liệu composit bùn đỏ - Thu hồi các kim loại nặng dùng trong luyện kim: như thu hồi sắt, nhôm, natri aluminat - Tận dụng bùn đỏ làm nguyên liệu trong công nghiệp hoá chất như sản xuất chất keo tụ - Ứng dụng trong công nghệ môi trường như tận dụng xử lý bùn đỏ làm chất keo tụ cho xử lý nước thải, xử lý sunfua oxit 5.3.Tận dụng bùn đỏ sản xuất dung dịch chất keo tụ

Để đạt đựơc suất lượng sản phẩm cao nhất, thông số thiết kế cần thiết bao gồm: nhiệt độ, thời gian phản ứng, lượng acid tiêu hao và lượng nước bổ sung cho quá trình - Nhiệt độ phản ứng: nhiệt độ phản ứng là thông số quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, nhiệt độ càng cao, tốc độ phản ứng xảy ra càng nhanh. Chính nhiệt độ cao cho phép phản ứng xảy ra mãnh liệt, đồng thời quá trình lọc tiếp theo diễn ra nhanh và thuận lợi - Thời gian phản ứng: thời gian phản ứng càng dài, hiệu suất phản ứng càng cao. Tuy nhiên hiệu suất phản ứng tăng không đáng kể theo thời gian phản ứng. Nếu nhiệt độ trong bồn phản ứng khá cao, thì phản ứng hoá học xảy ra nhanh ngay ở giai đoạn đầu

- Lượng acid tiêu hao: tỉ lệ acid/ bùn càng cao, sản lượng phèn càng lớn. Tuy nhiên, tổng lượng phèn thu được gia tăng không đáng kể khi hàm lượng acid tăng. Do đó, suất lượng sản phẩm giảm, chi phí acid gia tăng, giảm hiệu qua kinh tế. Vì vậy, chỉ tiêu tối ưu được chọn là suất lượng sản phẩm -Hàm lượng nước: lượng nước bổ sung có ý nghĩa quan trọng đến chất lượng sản phẩm được điều chế. Lượng nước liên quan đến nồng độ dung dịch thu được và nhiệt độ phản ứng. Theo lý thuyết, nồng độ chất phản ứng trong dung dịch càng lớn thì tốc độ phản ứng càng nhanh. Tuy nhiên, do sản phẩm thu được ở dạng ngậm nước và một phần lượng nước bị bốc hơi sau nhiều giờ phản ứng, ngoài ra nước còn là môi trường phản ứng nên phải duy trì lượng nước tối thiểu cần thiết. - Sự tương quan giữa nước bổ sung và tỉ trọng: để xác định một cách chính xác lượng nước cần bổ sung cần phải khảo sát môi tương quan giữa hàm lượng chất rắn (bùn) theo tỉ trọng. Tỉ trọng của huyền phù được làm thông số để xác định lượng bùn khô, để từ đó tính được lượng acid cần thiết cho điều chế phèn. Ưu điểm của sự lựa chọn này là tỉ trọng được xác định nhanh chóng, tuy độ chính xác không cao nhưng nằm trong phạm vi cho phép Lượng nước càng nhiều thì lượng sản phẩm thu được càng thấp và ngược lại. Tuy nhiên, lượng nước phải đủ sao cho trong thời gian phản ứng, ở nhiệt độ cao khoảng 1000C không được xảy ra quá trình kết tinh

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Standard methods for examination of water and wastewater. 19th edition 1995 2. Clair N. Sawyer, Perry L. McCarty, Gene F. Parkin: Chemistry for environmental engineering. McGraw- Hill International Edition, four edition 3. Nguyễn Thị Bạch Tuyết, Lê Xuân Mai: Thí nghiệm hóa phân tích. Trường ĐHBK TPHCM. 4. Khoa Môi Trường – ĐHBK TP.HCM, Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm xử lý chất thải, 2002 5. Nguyễn Văn Phước, Trịnh Bảo Sơn: Kết quả sản xuất thử nghiệm hỗn hợp chất keo tụ từ bùn đỏ nhà máy hóa chất Tân Bình 6. Trần Minh Khải, Nghiên cứu công nghiệp xử lý - tận dụng bùn đỏ của nhà máy hoá chất Tân Bình. Luận văn cao học ngành kỹ thuật môi trường, 2001.