Nghiên cứu khả năng xử lý thuốc nhuộm của bùn đỏ trung hòa bằng thạch cao phế thải

 Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2 (2014) 55-60 
Nghiên cứu khả năng xử lý thuốc nhuộm của bùn đỏ trung hòa 
 bằng thạch cao phế thải 
 Vũ Xuân Minh1, Lê Thị Mai Hương2, Trần Thị Hồng3, 
 Nguyễn Vũ Giang1, Nguyễn Tuấn Dung1,* 
 1Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 
 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam 
 2Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 
 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam 
 3Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam 
 Nhận ngày 05 tháng 3 năm 2014 
 Chỉnh sửa ngày 19 tháng 3 năm 2014; Chấp nhận đăng ngày 26 tháng 3 năm 2014 
 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, bùn đỏ nhà máy Alumin Tân Rai được trung hòa bằng thạch cao 
 phế thải (gypsum) của Nhà máy phân bón DAP Đình Vũ và khảo sát khả năng hấp phụ một số 
 thuốc nhuộm thông dụng: đỏ Red 3BF, vàng Yellow 3GF và xanh Blue MERF. Quá trình hấp phụ 
 tĩnh được tiến hành trong dung dịch nước và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như độ pH, thời gian 
 tiếp xúc, nồng độ thuốc nhuộm ban đầu, tới hiệu suất xử lý màu. Kết quả chỉ ra rằng đối với cả 3 
 chất màu nghiên cứu, pH thích hợp nhất là 4, quá trình hấp phụ đạt cân bằng sau 120 phút. Các 
 nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ cho thấy quá trình hấp phụ 3 loại thuốc nhuộm đều tuân theo mô 
 hình Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại đạt rất cao, đối với Red 3BF, Yellow 3GF, Blue 
 MERF, qmax tương ứng là 57,8; 96,6 và 98,23 mg/g. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại FT-IR 
 chứng tỏ sự có mặt của các chất màu trên bề mặt bùn đỏ-gypsum. 
 Từ khóa: bùn đỏ, thạch cao phế thải, xử lý thuốc nhuộm, chất hấp phụ giá rẻ, bã thải bauxit. 
1. Mở đầu∗ rắn của các nhà máy sản xuất phân bón DAP. 
 Trung hòa bùn đỏ bằng cách trộn với gypsum 
 Bùn đỏ (BĐ) là bã thải trong quy trình hòa chủ yếu được ứng dụng vào việc hoàn thổ, để 
tách quặng bauxit theo công nghệ Bayer để sản trung hòa lượng kiềm trong 1 kg bùn đỏ cần 
xuất nhôm, có tính kiềm cao và lượng thải lớn, khoảng 4 kg gypsum [1]. Ngoài việc quản lý 
tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. lưu giữ và hoàn thổ, các hướng nghiên cứu tái 
Người ta có thể trung hòa để làm giảm độ kiềm sử dụng bùn đỏ thành các vật liệu hữu ích gần 
của bùn đỏ bằng nhiều cách khác nhau, trong đó đây cũng được đẩy mạnh, đặc biệt là hướng 
việc sử dụng thạch cao phế thải (gypsum) rất chuyển hóa thành chất hấp phụ giá rẻ ứng dụng 
được quan tâm do khả năng tận dụng phế thải xử lý nước ô nhiễm [2]. Một số công bố trên thế 
 giới đã chỉ ra rằng bùn đỏ có thể tách loại khá 
_______ hiệu quả nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau như 
∗
 Tác giả liên hệ. ĐT: 84-936162586 đỏ côngo, đỏ axit, xanh metylen, xanh hoạt 
 E-mail: ndung@itt.vast.vn 
 55 
 56 V.X. Minh và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2 (2014) 55-60 
 tính, xanh trực tiếp [3-6]. Trong bài báo này, hấp phụ H (%) và dung lượng hấp phụ q (mg/g) 
 chúng tôi nghiên cứu khả năng hấp phụ một số xác định theo các công thức sau: 
 phẩm nhuộm dạng hòa tan thường dùng trong 
 ngành dệt may như: Red 3BF, Blue MERF, H = (%) ; 
 Yellow 3GF của bùn đỏ nhà máy Alumin Tân 
 Rai được trung hòa bằng thạch cao phế thải của 
 Nhà máy phân bón DAP Đình Vũ. q = (mg/g). 
 Trong đó: C0: nồng độ chất màu ban đầu 
 2. Thực nghiệm (mg/L); 
 Cf: nồng độ chất màu còn lại sau khi hấp 
 Trong nghiên cứu này, bùn đỏ lấy từ nhà phụ (mg/L); 
 máy Alumin Tân Rai (pH khoảng 11,5), được V: thể tích dung dịch chất màu (mL); 
 trung hòa bằng thạch cao phế thải (gypsum), m: khối lượng vật liệu hấp phụ (g). 
 phụ phẩm của nhà máy Phân lân Đình Vũ, tỷ lệ 
 khối lượng bùn đỏ:gypsum là 8:2, tỷ lệ rắn:lỏng 
 là 1:10, sau khi khuấy và để ổn định pH dung 3. Kết quả và thảo luận 
 dịch đạt 8,5. Vật liệu thu được (ký hiệu là BĐG) 
 được lọc rửa, sấy khô ở 100oC trong 2 giờ. 3.1. Khảo sát điều kiện hấp phụ 
 Các chất màu-đối tượng cần xử lý là thuốc Ảnh hưởng của pH 
 nhuộm thương phẩm Red 3BF, Blue MERF, 
 Quá trình hấp phụ các thuốc nhuộm Red 
 Yellow 3GF, xuất xứ từ Trung Quốc, được sử 3BF, Yellow 3GF và Blue MERF được tiến 
 dụng rất phổ biến ở các cơ sở dệt may. Bước hành trong môi trường nước có pH thay đổi từ 2 
 sóng hấp thụ cực đại (λmax) khảo sát bằng phổ 
 đến 10. Nồng độ chất màu ban đầu (C0) là 30 
 UV-Vis trên thiết bị CINTRA 40 - GBC (Mỹ) mg/L, nồng độ chất hấp phụ bùn đỏ-gypsum 
 tương ứng là 400, 540 và 610 nm. Nồng độ chất (BĐG) là 1 g/L và thời gian hấp phụ 120 phút 
 màu được xác định bằng phương pháp trắc được giữ cố định trong tất cả các thí nghiệm. 
 quang tại λmax tương ứng. Bùn đỏ thô (BĐ) cũng được khảo sát cùng điều 
 Khả năng hấp phụ chất màu của bùn đỏ kiện để đối chứng. Kết quả xác định dung 
 được đánh giá thông qua các giá trị hiệu suất lượng hấp phụ được trình bày trên hình 1. 
 BÑ
 BÑ BÑ
 30 30 30
 BÑG BÑG BÑG
 20 20 20
 q (mg/g)
 q (mg/g)
(mg/g)
q 10 10 10
 0 0 0
 246810
 0246810 246810
 pH pH pH
 Thuốc nhuộm Red 3BF Thuốc nhuộm Yellow 3GF 
 Thuốc nhuộm Blue MERF 
 Hình 1. Ảnh hưởng của pH tới dung lượng hấp phụ chất màu của bùn đỏ. 
 V.X. Minh và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2 (2014) 55-60 57
 Quan sát hình 1 ta thấy, đối với cả 3 chất Từ hình 2 ta thấy quá trình hấp phụ chất 
màu nghiên cứu, quá trình hấp phụ đều diễn ra màu trên bề mặt BĐG diễn ra khá nhanh, trong 
thuận lợi trong môi trường axit, với pH ≥ 6 hiệu cả 3 trường hợp, sau 120 phút tiếp xúc quá trình 
suất hấp phụ giảm mạnh. Điều này có thể lý hấp phụ đã đạt cân bằng. Vật liệu BĐG hấp phụ 
giải do đây là các chất màu anion, có khuynh thuốc nhuộm xanh Blue MERF nhanh nhất và 
hướng tạo liên kết tĩnh điện với các trung tâm hiệu sất đạt cao nhất, sau đó đến vàng Yellow 
tích điện dương của vật liệu hấp phụ trong môi 3GF và đỏ Red 3BF. 
trường pH thấp [4, 7]. Mặt khác các kết quả thu Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ 
được cũng cho thấy việc trung hòa bằng 
 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng BĐG 
gypsum hầu như không làm giảm khả năng hấp 
 tới khả năng tách loại chất màu được thực hiện 
phụ chất màu của bùn đỏ. 
 trong dung dịch có pH = 4, nồng độ thuốc 
 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 
 nhuộm ban đầu C0 = 50 mg/L, thời gian hấp 
 Hiệu suất hấp phụ các chất màu trên mẫu phụ 120 phút, lượng BĐG thay đổi từ 0,5 đến 5 
BĐG được khảo sát theo thời gian hấp phụ g/L. Hình 3 biểu diễn sự thay đổi của các giá trị 
trong dung dịch có C0 = 50 mg/L ở pH 4, lượng H và q theo hàm lượng BĐG. Kết quả cho thấy 
BĐG cố định là 1 g/L. Các kết quả thu được hiệu suất hấp phụ tăng theo chiều tăng của hàm 
trình bày trên hình 2. lượng bùn đỏ, trường hợp thuốc nhuộm đỏ Red 
 100 3BF và Yellow 3GF, H đạt bão hòa khi nồng độ 
 BĐG là 3 g/L, đối với Blue MERF là 1 g/L. 
 80
 Red 3BF
 60
 Yellow 3GF 
 Blue MERF
 H (%) 40 
 20
 0
 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 
 Thôøi gian haáp phuï (phuùt) 
Hình 2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu 
 suất hấp phụ các loại chất màu. 
 100 c)
 100 100 70
 q q 50 q
 30
 80 60
 80 80
 40
 50
 q 
 60 q (mg/g)
 q (mg/g)
 60 ( 60
 20 mg 30 40
 H
 /
 H(%)
 H (%) 30
 g 40
 40 H(%) H 40
 H ) 20
 10 20
 20 20 10 20
 10
 0 0 0 0 0 0
 012345 0123456 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
 Löôïng BÑG (g/l) Löôïng BÑG (g/l) Löông BÑG (g/L)
 Thuốc nhuộm Red 3BF Thuốc nhuộm Yellow 3GF Thuốc nhuộm Blue MERF 
 Hình 3. Ảnh hưởng của hàm lượng BĐG tới khả năng hấp phụ các chất màu. 
58 V.X. Minh và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2 (2014) 55-60 
 Ảnh hưởng của nồng độ chất màu ban đầu pH = 4, lượng BĐG là 3 g/L đối với thuốc 
 Mối quan hệ giữa nồng độ dung dịch các nhuộm Red 3BF và Yellow 3GF, 1 g/L đối với 
 Blue MERF. Khi nồng độ chất màu ban đầu 
chất màu ban đầu (Co) với hiệu suất và dung 
lượng hấp phụ được trình bày trong hình 4. tăng, hiệu suất hấp phụ giảm dần, dung lượng 
Thực nghiệm được thực hiện trong điều kiện hấp phụ tăng dần tới giá trị bão hòa. 
 a) 100 60 100 100 c)
 100
 H H 100
 50 H
 80
 80 80 80
 80
 40
 q (mg/g)
 q (mg/g)
 60 q (mg/g)
 60 60 60
 60
 30
 40 H (%)
 H (%) 40 40
 H (%) 40
 20 40
 20 20 20
 10 20 q 20
 q q
 0 0 0 0
 0 100 200 300 400 500 0 0
 0 100 200 300 400 500 600 700 0 50 100 150 200 250 300 350
 C Red 3BF (mg/l) C Yellow 3GF (mg/l) C Blue MERF (mg/l)
 O O o
 Hình 4. Ảnh hưởng của nồng độ chất màu ban đầu tới khả năng hấp phụ. 
3.2. Phân tích phổ hồng ngoại 1630 và 1030 cm-1 đặc trưng cho liên kết OH- 
 của gibsit và Si-O trong bùn đỏ [8]; đỉnh pic 
 Vật liệu hấp phụ BĐG trước và sau khi hấp 
 hấp thụ tại 1534, 1467, 1399 và 1214 cm-1 lần 
phụ các chất màu Red 3BF, Yellow 3GF và 
 lượt đặc trưng cho các liên kết N=N (triazin), 
Blue MERF được phân tích phổ hồng ngoại 
 N-H, SO - và -OH trong Red 3BF [9, 10]. 
biến đổi Fourier (FT-IR) và trình bày trên hình 5. 3
 Trường hợp BĐG hấp phụ Yellow 3GF (đường 
 (a)
 c), ngoài các pic đặc trưng của bùn đỏ cũng thể 
 (b)
 hiện những pic đặc trưng của Yellow 3GF tại 
 -1
 (c) 1508 và 1404 cm của các liên kết N=N, C-O 
 (d) [9,10]. Tương tự như vậy, đường (b) cũng thể 
 hiện các pic đặc trưng của Blue MERF tại 1516, 
 Ñoä truyeàn qua truyeàn Ñoä
 1402, 734 (cm-1) của các liên kết N=N trong 
 triazin, C-O và C-Cl [9, 10]. Kết quả phân tích 
 phổ hồng ngoại đã chứng minh rằng chất màu 
 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
 -1 đã bị hấp phụ trên bề mặt của bùn đỏ-gypsum. 
 Soá soùng (cm ) 
 3.3. Đẳng nhiệt hấp phụ 
Hình 5. Phổ FT-IR của BĐG trước (đường a) và sau 
 khi hấp phụ chất màu Blue MERF (đường b), Các số liệu thực nghiệm của quá trình hấp 
 Yellow 3GF (đường c) và Red 3BF (đường d). 
 phụ được phân tích và trình bày theo dạng 
 Quan sát hình 5 ta thấy, phổ FT-IR của tuyến tính của hai phương trình Langmuir và 
BĐG sau khi hấp phụ chất màu đều chứa những Freundlich (hình 6), từ đó xác định các tham số 
đỉnh pic đặc trưng của cả bùn đỏ và chất màu của phương trình và trình bày trong bảng 1. Từ 
tương ứng. Phổ hồng ngoại của BĐG hấp phụ hệ số tương quan của phương trình hồi quy (R2) 
Red 3BF (đường d) có các đỉnh pic hấp thụ tại ta thấy quá trình hấp phụ cả 3 chất màu trên bề 
 V.X. Minh và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2 (2014) 55-60 59
mặt bùn đỏ đều tuân theo mô hình đẳng nhiệt Dung lượng hấp phụ cực đại đạt rất cao, đối với 
Langmuir, đây là quá trình hấp phụ đơn lớp, Blue MERF là 98,23 mg/g, Yellow 3GF là 96,6 
không có tương tác giữa các phân tử hấp phụ. mg/g và Red 3BF là 57,8 mg/g. 
 6 B
 A Red 3BF 2.0 Blue MERF
 2
 R2 = 0,9972 R = 0,9923
 1.5
 4
 Yellow 3GF Yellow 3GF
 /q
 f R2 = 0,9933 2
 C R = 0,9643
 1.0
 log q
 2 Red 3BF
 2
 0.5 R = 0,9527
 Blue MERF
 R2 = 0,9948
 0
 0.0
 0 100 200 300 400 -1 0 1 2 3
 C (mg/L) log C
 f f
 Hình 6. Đường đẳng nhiệt hấp phụ: A - Langmuir và B - Freundlich. 
 Bảng 1. Các tham số phương trình đẳng nhiệt hấp gypsum đều tuân theo mô hình Langmuir, dung 
 phụ Langmuir và Freundlich 
 lượng hấp phụ cực đại đạt rất cao, đối với Red 
 Langmuir Freundlich 3BF, Yellow 3GF, Blue MERF, qmax tương ứng 
 2 2
Thuốc qmax KL R KF N R là 57,8; 96,6 và 98,23 mg/g. 
nhuộm (mg/g) (l/mg) 
 Red 57,80 0,05 0,9972 4,38 1,99 0,9527
 3BF 
Yellow 96,60 0,06 0,9933 6,40 2,05 0,9643 Tài liệu tham khảo 
 3GF 
 Blue 98,23 1,98 0,9948 37,52 5,11 0,9923 [1] A.Xenidis, A.Harokopou, E.Mylona, G.Brofas, 
MERF Modifying alumina red mud to support a 
 revegetation cover, Journal of Metallurgy, 57 (2) 
 (2005), 42–46. 
 [2] Shaobin Wang, HM.Ang, MO.Tadé, Novel 
4. Kết luận application of red mud as coagulant, adsorbent 
 and catalyst of environmentally benign 
 processes. Chemosphere, 72(2008) 1621-1635. 
 Chúng tôi đã khảo sát khả năng hấp phụ [3] Gupta, V.K., Suhas, Application of low-cost 
chất màu của bùn đỏ (nhà máy Alumin Tân adsorbents for dye removal– a review Journal of 
Rai) trung hòa bằng thạch cao phế thải-gypsum Environmental Management, 90(8) (2009), 
 2313–2342. 
(nhà máy Phân bón DAP Đình Vũ) đối với một [4] Namasivayam, C., Arasi, D.J.S.E., Removal of 
số thuốc nhuộm thông dụng như: đỏ Red 3BF, congo red from wastewater by adsorption onto 
vàng Yellow 3GF và xanh Blue MERF. Kết quả waste red mud, Chemosphere, 34(2) (1997), 
 401–417. 
khảo sát cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra tốt [5] Wang, S., Boyjoo, Y., Choueib, A., Zhu, Z.H., 
nhất trong môi trường pH 4 với cả 3 chất màu, Removal of dyes from aqueous solution using 
sau 120 phút đã đạt cân bằng. Các nghiên cứu fly ash and red mud, Water Research, 39(1) 
 (2005), 129–138. 
đẳng nhiệt hấp phụ chứng tỏ trong cả 3 trường [6] Wang, Q., Luan, Z., Wei, N., Li, J., Liu, C., The 
hợp, quá trình hấp phụ lên bề mặt bùn đỏ- color removal of dye wastewater by magnesium 
60 V.X. Minh và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2 (2014) 55-60 
 chloride/red mud (MRM) from aqueous solution muds (a bauxite ore processing waste), Journal 
 Journal of Hazardous Materials, 170(2–3) of Hazardous Materials, 175 (2010),172–178. 
 (2009), 690–698. [9] David M. Lewis, Jian Chen Wang, The Use of 
 [7] Đặng Trần Phòng, Sổ tay sử dụng thuốc nhuộm. Fourier Transform Infrared (FT-IR) 
 Tập 1: Thuốc nhuộm châu Á, 2008, Nhà xuất Spectroscopy to Study the State of 
 bản Bách khoa – Hà Nội. Heterobifunctional Reactive Dyes, Dyes and 
 [8] Paola Castaldi, Margherita Silvetti, Stefano Pigments, 39(2) (1998), 111-123. 
 Enzo, Pietro Melis., Study of sorption processes [10] Phạm Văn Nhiêu, Một số ứng phương pháp phổ 
 and FT-IR analysis of arsenate sorbed onto red ứng dụng trong hóa học, Nhà xuất bản Đại học 
 Quốc gia Hà Nội - 2011. 
 Adsorption of Anionic Dyes onto Gypsum-Neutralised 
 Red Mud 
 Vũ Xuân Minh1, Lê Thị Mai Hương2, Trần Thị Hồng3, 
 Nguyễn Vũ Giang1, Nguyễn Tuấn Dung1 
 1Institute for Tropical Technology, Vietnamese Academy of Science and Technology, 
 18 Hoàng Quốc Việt, Hanoi, Vietnam 
 2Institute of Chemistry of Natural Compounds, Vietnamese Academy of Science and Technology, 
 18 Hoàng Quốc Việt, Hanoi, Vietnam 
 3VNU University of Science, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hanoi, Vietnam 
 Abstract: In the study, red mud of Tân Rai Alumina Plant was neutralised by gypsum of DAP 
Đình Vũ Plant and investigated for some anionic dyes adsorption from aqueous solution. The effects 
of pH, contact time, and initial dye concentration on the adsorption were studied. Adsorption of Red 
3BF, Yellow 3GF and Blue MERF has been found to be best achieved in acidic conditions, pH = 4 
was the most suitable value. It was found that the sufficient time to attain equilibrium was 120 min. 
The adsorption isotherms were analyzed using the Langmuir and the Freundlich models, the Langmuir 
isotherm showed better fitting the experimental data for all three investigated dyes. The maximum 
adsorption capacities of Red 3BF, Yellow 3GF and Blue MERF (qmax) were founded to be 57.8, 96.6 
and 98.23 mg/g, respectively. The FT-IR analysis indicated clearly the presence of adsorbed dyes on 
the gypsum-neutralised ref mud surface. 
 Keywords: Red mud, gypsum, dyes adsorption, low-cost adsorbent.